Un importante algoritmo quantistico può effettivamente essere una proprietà della natura

Illustrazione concettuale della doppia elica del DNA la signora Tech; Immagine originale: Wikimedia commons

Nel 1996, un fisico quantistico dei Bell Labs nel New Jersey ha pubblicato una nuova ricetta per la ricerca in un database di n inserimenti. Gli informatici sanno da tempo che questo processo richiede tempo n passaggi perché nel peggiore dei casi, l'ultimo elemento della lista potrebbe essere quello di interesse.

Tuttavia, questo fisico, Lov Grover, ha mostrato come le strane regole della meccanica quantistica consentissero di effettuare la ricerca in un numero di passaggi pari alla radice quadrata di n .

È stato un grosso problema. La ricerca nei database è un'attività fondamentale nell'informatica, utilizzata per qualsiasi cosa, dalla ricerca di numeri di telefono alla decifrazione di codici crittografici. Quindi qualsiasi accelerazione è un progresso significativo.

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La meccanica quantistica ha fornito una svolta aggiuntiva. A quel tempo, la ricetta di Grover era solo il secondo algoritmo quantistico che si era dimostrato più veloce della sua controparte classica. (Il primo è stato l'algoritmo di Peter Shor per la fattorizzazione dei numeri, che ha scoperto nel 1994.) Il lavoro di Grover è stato un fattore importante nel preparare la strada alla rivoluzione del calcolo quantistico che è ancora in corso oggi.

Ma nonostante l'interesse, l'implementazione dell'algoritmo di Grover ha richiesto tempo a causa delle significative sfide tecniche coinvolte. Il primo computer quantistico in grado di implementarlo è apparso nel 1998, ma la prima versione scalabile non è apparsa fino al 2017 e anche allora ha funzionato con solo tre qubit. Quindi sono assolutamente necessari nuovi modi per implementare l'algoritmo.

Oggi Stéphane Guillet e colleghi dell'Università di Tolone in Francia affermano che potrebbe essere più facile di quanto chiunque si aspettasse. Dicono di avere prove che l'algoritmo di ricerca di Grover sia un fenomeno naturale. Forniamo la prima prova che in determinate condizioni, gli elettroni possono comportarsi naturalmente come una ricerca di Grover, alla ricerca di difetti in un materiale, dicono.

Ciò ha ovvie implicazioni per l'informatica quantistica, ma la sua reale importanza potrebbe essere molto più profonda. Per qualche tempo, i teorici hanno discusso se la ricerca quantistica potesse spiegare uno dei più grandi misteri sull'origine della vita. L'idea che le ricerche di Grover avvengano in natura potrebbe finalmente risolvere l'enigma.

Prima un po' di background. Poiché è così fondamentale, l'algoritmo di ricerca di Grover può essere riformulato in vari modi. Uno di questi è come una passeggiata quantistica su una superficie, il modo in cui una particella quantistica si sposterebbe casualmente da un punto all'altro.

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Chiaramente, questo processo è una sorta di ricerca dello spazio bidimensionale. Ma poiché una particella quantistica può esplorare molti percorsi contemporaneamente, è molto più veloce di una ricerca classica.

La natura della superficie ha un'influenza importante sulla ricerca. Ad esempio, un tipo di superficie è costituito da una griglia quadrata in cui la particella quantistica ha quattro possibili mosse su ciascun vertice.

Ma ci sono molte altre griglie possibili; uno triangolare, ad esempio, in cui la particella quantistica ha tre scelte su ciascun vertice. La griglia triangolare è di particolare interesse a causa della sua somiglianza con diversi materiali cristallini presenti in natura, affermano Guillet e co.

Il team si è concentrato sulla simulazione del modo in cui funziona una ricerca di Grover per gli elettroni che esplorano griglie triangolari e quadrate, ma includevano anche altri effetti fisicamente realistici, come difetti nella griglia sotto forma di lacune e proprietà quantistiche come effetti di interferenza.

I risultati aprono gli occhi. La domanda che fanno è quanto velocemente un elettrone può trovare il buco in una griglia. E la grande svolta del team è mostrare che queste simulazioni riproducono il modo in cui gli elettroni reali si comportano in materiali reali.

In altre parole, questa è la prova che gli elettroni liberi implementano naturalmente l'algoritmo di ricerca di Grover quando si spostano sulla superficie di determinati cristalli.

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Ciò ha implicazioni immediate per l'informatica quantistica. [Questo lavoro] potrebbe essere il percorso verso un serio salto tecnologico, in base al quale lo sperimentatore ignorerebbe la necessità di un computer quantistico scalabile e correttore di errori a tutti gli effetti e prenderebbe invece la scorciatoia per cercare 'occorrenze naturali' della ricerca di Grover, dire la squadra.

Il lavoro ha anche implicazioni per il nostro modo di pensare al codice genetico e all'origine della vita. Ogni creatura vivente sulla Terra utilizza lo stesso codice, in cui il DNA memorizza le informazioni utilizzando quattro basi nucleotidiche. Le sequenze di nucleotidi codificano informazioni per la costruzione di proteine ​​da un alfabeto di 20 aminoacidi.

Ma perché questi numeri, quattro e 20, e non alcuni altri? Nel 2000, pochi anni dopo che Grover ha pubblicato il suo lavoro, Apoorva Patel dell'Indian Institute of Science di Bangalore ha mostrato come l'algoritmo di Grover potrebbe spiegare questi numeri .

L'idea di Patel è legata al modo in cui il DNA viene assemblato all'interno delle cellule. In questa situazione, il macchinario molecolare all'interno di una cellula deve cercare nella zuppa molecolare delle basi nucleotidiche per trovare quella giusta. Se sono disponibili quattro scelte, una ricerca classica richiede in media quattro passaggi. Quindi il macchinario dovrebbe provare quattro diverse basi durante ogni fase di assemblaggio.

Ma una ricerca quantistica utilizzando l'algoritmo di Grover è molto più veloce: Patel ha mostrato che quando ci sono quattro scelte, una ricerca quantistica può distinguere tra quattro alternative in un unico passaggio. Infatti, quattro è il numero ottimale.

Questo pensiero spiega anche perché ci sono 20 aminoacidi. Nel DNA, ogni insieme di tre nucleotidi definisce un singolo amminoacido. Quindi la sequenza di triplette nel DNA definisce la sequenza di amminoacidi in una proteina.

Ma durante l'assemblaggio delle proteine, ogni aminoacido deve essere scelto da una zuppa di 20 diverse opzioni. L'algoritmo di Grover spiega questi numeri: una ricerca quantistica in tre fasi può trovare un oggetto in un database contenente fino a 20 tipi di voci. Anche in questo caso, 20 è il numero ottimale.

In altre parole, se i processi di ricerca coinvolti nell'assemblaggio del DNA e delle proteine ​​devono essere il più efficienti possibile, il numero di basi dovrebbe essere quattro e il numero di amminoacidi dovrebbe essere 20, esattamente come si trova. L'unico avvertimento è che le ricerche devono essere di natura quantistica.

Quando Patel ha pubblicato la sua idea, i fisici quantistici l'hanno immediatamente messa a tacere. A quel tempo, erano impantanati nei loro stessi tentativi di controllare i processi quantistici, cosa che potevano fare solo isolando le particelle quantistiche in ambienti estremi come a temperature vicine allo zero assoluto.

Il problema ovvio, hanno detto, era che gli esseri viventi operano in un ambiente caldo e disordinato in cui gli stati quantistici sarebbero stati immediatamente distrutti.

I biologi erano ugualmente sprezzanti, dicendo che i processi quantistici non potevano essere al lavoro all'interno degli esseri viventi.

Da allora, è emerso un numero crescente di prove che i processi quantistici svolgono un ruolo importante in una serie di meccanismi biologici. La fotosintesi, ad esempio, è ora considerata un processo essenzialmente quantistico.

Il lavoro di Guillet e compagni getta una nuova prospettiva su tutto questo. Suggerisce che l'algoritmo di Grover non è possibile solo in alcuni materiali; sembra essere una proprietà della natura. E se è vero, allora le obiezioni alle idee di Patel iniziano a sgretolarsi.

Può darsi che la vita sia solo un esempio della ricerca quantistica di Grover al lavoro e che questo algoritmo sia esso stesso una proprietà fondamentale della natura. Questa è una grande idea, se mai ce n'è stata una.

Rif: arxiv.org/abs/1908.11213 : La ricerca di Grover come fenomeno naturale

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