Quanta energia consuma un calcolo quantistico?

La ricerca congiunta delle Università di Firenze, Roma Tre e Queen’s University di Belfast fa leva sul “principio di Landauer”

[12 Gennaio 2021]

I computer quantistici sono alla frontiera dell’informatica: una delle rivoluzioni tecnologiche destinate ad impattare in modo profondo nel nostro futuro, ma per quanto roseo possa essere l’avvenire possiamo star sicuri che anche questo pasto non sarà gratis. Anche in questo caso, ad esempio, ci sarà un costo energetico da pagare pere ogni operazione di computazione quantistica. Ed è proprio questo il nodo al centro dello studio Experimental characterization of the energetics of quantum logic gates, pubblicato su Nature da un team di ricercatori tutto italiano.

Più nel dettaglio gruppo di ricercatori coordinati da Filippo Caruso, dell’Università di Firenze, e da Marco Barbieri, dell’Università Roma Tre – in collaborazione con i ricercatori della Queen’s University di Belfast coordinati da Mauro Paternostro –, ha approfondito la conoscenza dei meccanismi termodinamici che accompagnano il calcolo quantistico, aprendo la strada alla determinazione del costo energetico che sta dietro allo svolgimento di una singola operazione, step essenziale per migliorare le prestazioni di qualsiasi macchina progettata per il calcolo quantistico.

Il team di fisici fiorentini ha messo a punto uno schema teorico basato sulla verifica del cosiddetto “principio di Landauer”, noto dal 1961, che ha gettato un ponte tra i concetti di informazione ed energia (e dunque materia) che ancora oggi non smette di affascinare ed interrogare la comunità scientifica. Secondo tale principio dimostrato sperimentalmente, ogni operazione di computazione irreversibile – come la cancellazione di un bit di informazione – è inevitabile una dispersione minima di energia (sotto forma di calore) con conseguente aumento di entropia del sistema preso in esame.

«Il livello minimo di consumo di energia descritto nel 1961 dal fisico americano è milioni di volte più basso del dispendio dei computer moderni – commenta Caruso – È cruciale avvicinarsi a tale limite ma, per fare ciò, occorre arrivare a bassissime temperature e a dimensioni nanoscopiche, dove entrano in gioco le regole della fisica quantistica, verificando così sperimentalmente, nel mondo microscopico, il principio di Landauer».

Sviluppato lo schema teorico, il gruppo sperimentale dell’Università Roma Tre ha messo a punto un test che è stato applicato a operazioni quantistiche a due fotoni, cioè particelle di luce.

«Manipolando due fotoni che processavano un’informazione – conclude Barbieri – abbiamo esaminato il consumo di tale operazione in termini di energia ed entropia, proponendo così un nuovo approccio per caratterizzare la performance dei computer quantistici. Il nostro è l’inizio di una promettente linea di ricerca e proseguiremo applicando il nuovo metodo su sistemi sempre più grandi fino ad arrivare alla taglia di computer quantistici con centinaia e poi migliaia di porte logiche».