The "Science of Can and Can't" e la computazione quantistica

1. The “Science of Can and Can’t”
e la computazione quantistica
Francesco Sisini

2. Uso ortodosso della fisica
1) L’universo è costituito da campi e particelle 2) L’evoluzione dello stato delle particelle (traiettoria)
può essere calcolato
e
e

3. Uso ortodosso della computer science
la classe delle funzioni calcolabili
coincide con quella delle funzioni
calcolabili da una macchina di Turing

4. I computer eseguono funzioni?
Di Supix di Wikipedia in italiano, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73495174
Osservato nei termini della sua
architettura un computer
esegue dei calcoli

5. Visto “dal vero” una computer
è un sistema fisico, analogo al
altri sistemi fisici

6. I computer sono sistemi fisici
La computazione può essere
vista come l’evoluzione
dinamica degli elettroni che si
“muovono” in un circuito…
molto complesso!

7. Il computer è un sistema fisico
Justinhsb, CC BY 4.0
<https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>,
via Wikimedia Commons

8. ...allora la tesi di Church-Turing andrebbe riscritta:
‘Every finitely realizable physical
system can be perfectly simulated by a
universal model computing machine
operating by finite means’.
Every ‘function which would naturally
be regarded as computable’ can be
computed by the universal Turing
machine.

9. Quantum theory, the Church-Turing principle and the
universal quantum computer
DAVID DEUTSCH
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1985.0070

10. Un nuovo punto di vista
Un’elaborazione computerizzata è
un processo fisico
Un processo fisico è una
elaborazione di informazione
E’ sempre vero?

11. Del computer siamo sicuri, del cervello non
possiamo ancora essere sicuri...
Attività biofisica/biochimica
Altro?

12. Cosa possiamo dire della fisica?
Ruryk, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>,
via Wikimedia Commons

13. When does a physical system compute?
Clare Horsman, Susan Stepney, Rob C. Wagner and Viv Kendon
https://www.semanticscholar.org/paper/When-does-a-physical-sy
stem-compute-Horsman-Stepney/b1e3c678ba2c1f1b118d00262
a14b73403fb59c4

14. Una risposta in quattro punti
https://www.semanticscholar.org/paper/When-does-a-physical-system-compute-Horsman-Stepney
/b1e3c678ba2c1f1b118d00262a14b73403fb59c4

15. Facciamo il punto
Computer classico:
● Sistema fisico complesso composto da altri
sotto-sistemi fisici
● La dinamica del sistema può essere descritta nei
termini della fisica classica
● La dinamica dei sottosistemi può essere descritta
sia come fisica classica che come meccanica
quantistica

16. Computer quantistico:
● Sistema fisico complesso composto da altri
sotto-sistemi fisici
● La dinamica del sistema può essere descritta nei
termini della meccanica quantistica
● La dinamica dei sottosistemi può essere descritta
nei termini della meccanica quantistica

17. La differenza fondamentale
La teoria dell’informazione, per formare un messaggio, richiede 2 stati distinguibili
Classico: la distinguibilità degli stati è
dato dal valore di grandezze macroscopiche
medie: potenziale elettrico, carica in un
condensatore, intensità di un’onda...
Quantistico: la distinguibilità degli stati
è dato dalle proprietà intrinseche delle
particelle

18. Scenario classico
● La natura offre risorse con le quali abbiamo concepito e costruito i bits
● Le macchine artificiali computano i bits
● L’universo è agnostico verso il calcolo

19. Nuovo scenario
● La natura offre un sistema naturale di qubits
● Le trasformazioni fisiche elementari computano i qubits
● L’universo è un media di informazione e contiene informazione

20. Alcuni problemi...
?

21. Fisica “ortodossa”
● La dinamica di computazione un computer classico
● La dinamica di computazione computer quantistico
Descrive:
Non descrive
● Cosa fa un computer classico
● Cosa fa un computer quantistico

22. Counterfactual thinking o condizioni iniziali?
x+y=z 1+1=2, 2+7=9,...
Un sommatore (concettuale) calcola z dati x e y Da definite condizioni iniziali si può generare una
calcolatrice capace di eseguire (per un definito
periodo) le somme per numeri a N cifre

23. Nella fisica si pensa in termini controfattuali?
In un certo senso... ogni volta che ci chiediamo se esistono
condizioni iniziali tali che:
p
e
e

24. Quindi: qual’è il problema?
Se consideriamo che:
ogni realtà derivi dall’evoluzione
temporale di un sistema a partire
da determinate condizioni iniziali
Matematicamente non riusciamo a risalire alle condizioni
iniziali alla base di nessun sistema complesso: proteina, cellula,
enzima...
Si deve rinunciare all’idea di libero arbitrio

25. Quindi?
- Non si può essere sicuri dell’esistenza del libero arbitrio, però… farebbe
piacere
- Non è soddisfacente avere una teoria che per quanto corretta non sia capace
di prevedere la creazione di sistemi come le forme biologiche elementari

26. Da vecchie idee… nuove idee
Chiara Marletto
Esprimere la fisica nei termini di quali
trasformazioni sono possibili e quali no
https://arxiv.org/abs/1608.02625

27. E’ una novità?
Problemi fisici come lo scattering sono spesso trattati in termini
controfattuali

28. Cosa aggiunge di nuovo?
● La teoria fisica non tratta l’informazione come un ente elementare, piuttosto come un fenomeno
emergente
● La teoria classica dell’informazione definisce l’informazione nei termini di stati distinguibili
● La teoria classica dell’informazione definisce la computazione come una elaborazione della
informazione
Approccio dinamico:
● Le leggi sono espresse in termini di trasformazioni possibili da parte di un costruttore
● L’informazione non quantistica è definita come un sistema fisico clonabile da parte del costruttore
● L’informazione quantistica è definita nei termini degli stati che un sistema può assumere
Approccio controfattuale:
Ricorsivo, perchè
per distinguere
devo computare

29. Constructor theory (in italiano non rende…)

30. Attributi
Substrato
Ha
Costruttore
Modifica
Attributo E’ qualcosa che può essere
modificato da un processo fisico
L’insieme dei valori distinti
dell’attributo è descritto da una
variabile
Costruttore Trasforma gli attributi dei substrati Rimane uguale a se stesso
durante e dopo la trasformazione
(catalizzatore)
Computazione (reversibile) E’ una trasformazione, operata dal
costruttore
Scambia almeno due attributi del
substrato
Informazione (non quantistica) E’ una variabile che descrive
attributi che può essere clonata
Mezzo di informazione E’ un substrato con almeno una
variabile di tipo informazione

31. Conclusioni
e
grazie a tutti