gruppo di frascati

Entanglement (ovvero intreccio) quantistico e sovrapposizione di stati quantistici affiancati al modello cibernetico di olocontrollo emulativo

Principio di sovrapposizione Il principio di sovrapposizione è il primo postulato della meccanica quantistica. Esso afferma che due o più stati quantistici possono essere sommati (sovrapposti), e il risultato sarà un altro stato quantistico valido (1+1=1). Al contrario, ogni stato quantistico può essere rappresentato come somma di due o più altri stati distinti.

Stati quantistici e entanglement Gli stati quantistici di due particelle microscopiche a e b interagenti sono “intrecciati” tra loro in modo tale che, anche quando le due particelle vengono poste a grande distanza l’una dall’altra, la modifica che dovesse occorrere allo stato quantistico della particella a avrebbe un effetto misurabile istantaneamente sullo stato quantistico della particella b. In tal modo si determina il fenomeno della cosiddetta “azione fantasma a distanza” (ovvero Entanglement). Ciò significa che lo stato quantico di due o più sistemi fisici dipende dagli stati quantici di ciascuno dei sistemi che compongono l’insieme, in una forma che non è in alcun modo separabile: un’azione su uno dei componenti provoca un effetto immediato sullo stato del sistema complessivo (caratteristica anche del modello di olocontrollo emulativo).

Computer classici e computer quantistici Il qubit è un adattamento quantistico dei bit tradizionali dell’informatica classica e sfrutta alcune particolarità disponibili solo su scale quantistiche, come la sovrapposizione degli stati e l’entanglement. Nell’informatica classica i due valori 0 e 1 dei bit sono codici paragonabili agli stati “chiuso” e “aperto” di un interruttore elettrico. Nulla vieta che, in linea di principio, tali codici potrebbero essere rappresentati anche dalle due diverse orientazioni dello spin (“su” e giù”) di una particella – per esempio un elettrone o uno ione -, grandezza quantistica paragonabile grossomodo all’asse di rotazione di un corpo macroscopico che gira su sé stesso. Queste unità computazionali quantistiche prendono il nome di qubit. Grazie alle leggi della meccanica quantistica, le particelle possono avere anche stati intermedi tra 0 e 1. Ciò conferisce un enorme vantaggio all’uso di sistemi quantistici rispetto ai sistemi informatici classici in merito alla capacità di elaborare le informazioni perché l’entanglement, in questo ambito, consentirebbe di trasferire le informazioni tra diversi qubit operando computazioni che apparirebbero difficilissime ai dispositivi tradizionali.

Difficoltà nell’utilizzo dei computer quantistici Da un trentennio si svolgono nel mondo numerose attività di Ricerca & Sviluppo mirate alla costruzione e uso dei Computer quantistici che ancora oggi, però, sono affetti da numerosi problemi. Gli algoritmi concepiti per essere utilizzati sui computer quantistici mirano a ottenere il massimo rendimento da queste correlazioni quantistiche, ma le macchine quantistiche sono circondate da fastidiosi rumori esterni (non stabilità di campi elettromagnetici e di temperatura, sollecitazioni meccaniche, ecc.) che snervano la coerenza delle mutue relazioni tra i qubit e ne impediscono un corretto uso per la computazione. Ai ricercatori potrebbero mancare ancora decenni prima di arrivare a computer quantistici impiegabili in qualsivoglia condizione.

Olocontrollo emulativo

Olocontrollo emulativo è un modello cibernetico sviluppato dal “gruppo di Frascati” dell’ENEA a partire dagli anni ‘90. Vediamo un suo semplice schema logico-funzionale. Ci sono tre ‘ambienti’ distinti fra loro:

• il ‘mondo concreto’ (indicato come primo spazio), composto anche dalla macchina completa della sua struttura cinematica; · il ‘mondo cibernetico virtuale’ (indicato come terzo spazio), costruito a imitazione del secondo spazio biologico. Nel suo spazio virtuale risiede una ricostruzione del mondo concreto e sono accolti fenomeni e processi di comunicazione e controllo; · una ‘parete elettronica’ (Olocontrollo) che connette il concreto con il virtuale.

Olocontrollo è costituito da una scheda elettronica: da un lato è collegata alla macchina concreta con una serie di canali di ingresso e di uscita concreti, dall’altro lato è collegata alla macchina virtuale con una serie di canali di ingresso e di uscita virtuali. È la sezione che racchiude in sé le capacità di ‘trasformazione’ delle informazioni fra il mondo reale e quello virtuale e che lega i due domini in un ‘inseguimento di stati’ per la ricerca dell’equilibrio: la ‘corrispondenza biunivoca’ fra questi due domini è tale che a ogni azione fatta in un dominio corrisponde la stessa azione nell’altro e viceversa (inseguimento reversibile). Il sistema olocontrollo emulativo è attivo in tutti i transitori verso la ricerca dell’equilibrio della macchina (omeostasi). Olocontrollo trasforma stimoli esterni in una rappresentazione interiore. La rappresentazione è confrontata con quella che era presente un istante prima e trasformata in una differenza. La ‘notizia’ di una differenza viene trasmessa verso la rete di canalizzazioni e si trasforma in uno stimolo verso l’esterno provocando una azione casuale il cui andamento viene corretto a ogni ciclo. Il sistema complessivo si dimostra autocorrettivo nella direzione della omeostasi con un procedimento che implica tentativi ed errori. Ne consegue che olocontrollo emulativo, mediante il quadro dinamico contenente gli ‘effetti via via prodotti’ dalle azioni desiderate, ‘traduce in realtà’ i ‘desideri sintetici’ dell’emulatore.

Uso della sola struttura (processore quantistico) associata a olocontrollo emulativo Il modello teorico e applicativo di olocontrollo emulativo è edificato, con strutture analogiche (circuiti elettronici), sull’emulazione dei fenomeni del mondo reale che sono tutti immersi nelle straordinarie proprietà quantistiche della materia (meccanica quantistica). Sostituire, in parte, i circuiti elettronici con una macchina che segue le regole della meccanica quantistica, rappresenterebbe un grosso avanzamento applicativo-funzionale. Immaginiamo di avere una struttura (processore quantistico) derivante dallo studio e applicazioni sui computer quantistici. Immaginiamo di non avere necessità di applicare a questa struttura un controllo formale che servirebbe a utilizzarla come un computer, ma di usare solo la sua caratteristica di funzionamento quantistico di microsistemi interagenti basato sull’entanglement (ovvero intreccio) grazie al quale la determinazione dello stato di un qubit ci dà anche quello di un altro qubit. Immaginiamo che la struttura sia connessa a una “memoria di stati” pregressa. Inserendo nella struttura uno “stato esterno” che non sia contenuto nella “memoria di stati” si ottiene la memorizzazione del nuovo stato. Quando due qubit arrivano alla stessa frequenza di risonanza si verifica l’entanglement grazie al quale, determinato lo stato dell’uno, otteniamo anche quello dell’altro. Inoltre, inserendo nella struttura uno “stato esterno” che è contenuto – in similitudine – nella “memoria di stati”, essa raccoglie questo stato interno e lo sovrappone a quello esterno riproiettandolo verso l’esterno in una sorta di groviglio di stati sovrapposti. In questo processo circolare, a ogni ciclo successivo il nuovo “stato esterno” e lo “stato interno” tendono all’uguaglianza… nello stesso modo descritto dal nostro modello nella “ipotesi ologrammica della memoria” (La memoria biologica e la memoria cibernetica. L’ipotesi ologrammica).

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