l computer di domani, ieri

Quattro decenni fa alla Endicott House, un professore del MIT ha convocato una conferenza che ha lanciato l’informatica quantistica.

di Simson Garfinkel 

L’informatica quantistica come la conosciamo ha avuto inizio 40 anni fa alla prima Physics of Computation Conference, organizzata all’Endicott House da MIT e IBM e alla quale hanno partecipato quasi 50 ricercatori di informatica e fisica, due gruppi che raramente hanno marciato all’unisono. Vent’anni prima, nel 1961, un ricercatore dell’IBM di nome Rolf Landauer aveva trovato un legame fondamentale tra i due campi: aveva dimostrato che ogni volta che un computer cancella un po’ di informazione, viene prodotto un pochino di calore, corrispondente all’aumento di entropia il sistema. 

Nel 1972 Landauer assunse l’informatico teorico Charlie Bennett, il quale dimostrò che l’aumento dell’entropia può essere evitato da un computer che esegue i suoi calcoli in modo reversibile. Curiosamente, Ed Fredkin, il professore del MIT che ha cosponsorizzato la Endicott Conference con Landauer, era arrivato alla stessa conclusione indipendentemente, nonostante non avesse mai conseguito nemmeno una laurea. In effetti, la maggior parte delle rivisitazioni della storia delle origini dell’informatica quantistica trascura il ruolo fondamentale di Fredkin. 

L’insolita carriera di Fredkin iniziò quando si iscrisse al California Institute of Technology nel 1951. Sebbene brillante nei suoi esami di ammissione, non era particolarmente assiduo nella frequenza e dovette fare due lavori per pagare le tasse scolastiche. Andando male a scuola e senza soldi, si ritirò nel 1952 e si arruolò nell’Air Force per evitare di partecipare alla guerra di Corea. Alcuni anni dopo, l’Air Force inviò Fredkin al MIT Lincoln Laboratory per aiutare a testare il nascente sistema di difesa aerea SAGE. Imparò a programmare i computer e presto divenne uno dei migliori programmatori del mondo, un gruppo che probabilmente contava solo circa 500 persone all’epoca. 

Dopo aver lasciato l’Air Force nel 1958, Fredkin ha lavorato presso Bolt, Beranek e Newman (BBN), che convinse ad acquistare i suoi primi due computer e dove conobbe i professori del MIT Marvin Minsky e John McCarthy, che insieme avevano praticamente dato vita al campo dell’intelligenza artificiale. Nel 1962 li accompagnò al Caltech, dove McCarthy stava tenendo una conferenza, durante la quale Minsky e Fredkin incontrarono Richard Feynman, che nel 1965 avrebbe vinto il Premio Nobel per la fisica per il suo lavoro sull’elettrodinamica quantistica. 

Feynman mostrò loro un taccuino scritto a mano pieno di calcoli e li sfidò a sviluppare un software in grado di eseguire calcoli matematici simbolici.

Fredkin lasciò la BBN nel 1962 e fondò Information International Incorporated, una delle prime startup di intelligenza artificiale al mondo. Quando Triple-I divenne pubblica nel 1968, Fredkin venne reclutato da Minsky per diventare il direttore associato del suo laboratorio di intelligenza artificiale al MIT. Tre anni dopo Fredkin divenne direttore del Project MAC, il capostipite del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT. Il MIT lo nominò professore ordinario, nonostante la sua mancanza di credenziali accademiche. 

Ma Fredkin presto si stancò anche di questo, così nel 1974 tornò al Caltech per trascorrere un anno con Feynman. L’accordo era che Fredkin avrebbe insegnato l’informatica a Feynman e Feynman avrebbe insegnato a Fredkin la fisica quantistica. Fredkin arrivò a capire la fisica quantistica, ma non ci credeva. Pensava che il tessuto della realtà non potesse essere basato su qualcosa che potesse essere descritto da una misurazione continua. La meccanica quantistica sostiene che quantità come la carica e la massa sono quantizzate, costituite da unità discrete e numerabili che non possono essere suddivise, ma che cose come lo spazio, il tempo e le equazioni d’onda sono fondamentalmente continue. 

Fredkin, al contrario, credeva (e crede ancora) con convinzione quasi religiosa che anche lo spazio e il tempo debbano essere quantizzati, e che l’elemento fondamentale della realtà sia quindi il calcolo. La realtà è simile a un computer! Nel 1978 Fredkin tenne un corso di laurea al MIT chiamato Digital Physics, in cui esploava i modi di rielaborare la fisica moderna secondo tali principi digitali.

Feynman, tuttavia, non era convinto che esistessero connessioni significative tra l’informatica e la fisica oltre all’uso dei computer per calcolare gli algoritmi. Così, quando Fredkin chiese al suo amico di tenere il discorso di apertura alla conferenza del 1981, inizialmente rifiutò. Tuttavia, quando gli fu promesso che avrebbe potuto parlare di ciò che voleva, Feynman cambiò idea e espose le sue idee su come collegare i due campi in un discorso dettagliato che proponeva un modo per eseguire calcoli utilizzando gli stessi effetti quantistici.

Feynman ha sempre ritenuto che i computer sono scarsamente attrezzati per aiutare a simulare, e quindi prevedere, l’esito degli esperimenti nella fisica delle particelle, cosa che è ancora vera oggi. I computer moderni, dopo tutto, sono deterministici: se si presenta loro lo stesso problema, avranno la stessa soluzione. La fisica, d’altra parte, è probabilistica. Quindi, all’aumentare del numero di particelle in una simulazione, ci vuole esponenzialmente più tempo per eseguire i calcoli necessari sui possibili output. Il modo per andare avanti, affermava Feynman, era costruire un computer che eseguisse i suoi calcoli probabilistici usando la meccanica quantistica.

Feynman non aveva preparato un documento formale per la conferenza, ma con l’aiuto di Norm Margolus, uno studente laureato nel gruppo di Fredkin che ha registrato e trascritto ciò che ha detto lì, il suo discorso è stato pubblicato sull’International Journal of Theoretical Physics con il titolo Simulating Psychics with Computers. Insieme all’articolo di Fredkin Conservative Logic, scritto con il ricercatore del MIT Tommaso Toffoli (e basato in parte su Digital Physics di William Silver ), ha costituito la base del campo nascente.

Nel 1983, Bennett e Gilles Brassard, professore all’Università di Montreal, inventarono quella che oggi viene chiamata crittografia quantistica, un modo per utilizzare la meccanica quantistica per inviare informazioni evitando le intercettazioni. Feynman, nel frattempo, ha continuato a sviluppare la sua idea, come spiegato in un discorso intitolato Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws che ha tenuto sia al Los Alamos National Laboratory che a una conferenza sull’ottica del 1984. 

Tuttavia, i computer quantistici sarebbero probabilmente rimasti un giocattolo intellettuale se non fosse stato per Peter Williston Shor, che nel 1994 escogitò un approccio in grado di sfruttare uno dei computer quantistici non ancora costruiti di Feynman e qualche intelligente teoria dei numeri per fattorizzare rapidamente un numero elevato. Ciò suscitò l’interesse di governi e aziende, poiché la sicurezza di quasi tutti i moderni sistemi crittografici dipende dal fatto che è facile moltiplicare insieme due numeri primi molto grandi, ma è straordinariamente difficile scomporre il prodotto nei suoi fattori primi. 

Con l’algoritmo di Shor (come viene ora chiamato) e un computer quantistico abbastanza grande su cui eseguirlo, questo compito diventerebbe semplice e la maggior parte dei dati riservati del mondo che si spostano sulle onde radio e su Internet potrebbero essere facilmente decifrati una volta intercettati.

Oltre a generare i documenti seminali sul campo, la conferenza del 1981 ha anche prodotto una foto di alcuni dei più grandi pensatori dell’informatica e della fisica vivi nel 1981. Scattata nel prato di Endicott House, la foto include Feynman e Fredkin; Freeman Dyson, uno dei fisici più talentuosi del XX secolo; Konrad Zuse, l’ingegnere tedesco che aveva costruito il primo computer digitale automatico completamente programmabile nel 1941; Hans Moravec, che aveva appena costruito un robot in grado di navigare a vista; Danny Hillis, che fondò Thinking Machines e assunse Feynman come primo dipendente e molti altri che ora sono nomi familiari (almeno nelle famiglie di scienziati informatici e fisici). 

Charlie Bennett non è nella foto: è la persona che ha scattato la foto. 

Simson Garfinkel parla di questa storia nel suo libro Law and Policy for the Quantum Age, scritto insieme a Chris Hoofnagle (di prossima pubblicazione dalla Cambridge University Press).