Università di Padova: la fisica dei quanti riscrive le regole della logica

Il ragionamento equazionale è un metodo utilizzato dai computer per simulare il ragionamento logico umano. Esso consiste nel manipolare equazioni tramite regole algebriche e consente di automatizzare la dimostrazione teoremi, la risoluzione di equazioni e la modellizzazione di sistemi complessi, come le macromolecole. È un pilastro fondamentale del ragionamento automatizzato: permette di scovare equivalenze tra espressioni simboliche, fungendo da vero e proprio motore per il progresso in innumerevoli discipline scientifiche. Eppure il suo potenziale si scontra da sempre con un muro apparentemente insormontabile: all'aumentare della complessità di un problema, il numero di espressioni equivalenti cresce in modo esponenziale, mandando in crisi i computer tradizionali. In sostanza, poche regole possono generare una quantità enorme di equazioni che un computer classico è costretto ad analizzare ad una ad una.

La ricerca pubblicata su «Science Advances» con il titolo "Quantum algorithms for equational reasoning" dal team di ricerca guidato dal Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Padova è riuscita a proporre una soluzione che aggira questo limite introducendo un algoritmo quantistico chiamato quantum normal form reduction. Questo approccio può risolvere casi complessi che coinvolgono una cifra astronomica di operazioni che sarebbe stata totalmente fuori dalla portata dei comuni algoritmi classici.

«In questo studio mostriamo come sfruttare gli algoritmi quantistici per migliorare il ragionamento equazionale. Gli ambiti di applicazione sono molteplici. I polimeri, ad esempio, possono assumere una serie di configurazioni spaziali che sono legate fra loro da regole di ragionamento equazionale - sottolinea Davide Rattacaso, primo autore della ricerca -. Il nostro approccio permette allora di codificare tutte le possibili configurazioni di un polimero in uno stato quantistico, così da calcolare proprietà termodinamiche rilevanti. Un'altra possibile applicazione è la rappresentazione di collezioni di genomi di diversi individui che, essendo legati da regole di trasformazione relativamente semplici - le mutazioni genetiche -, si prestano ad essere rappresentati globalmente da un unico stato quantistico».

Nel lavoro pubblicato i ricercatori hanno dimostrato che un computer quantistico si comporta come se la sua memoria contenesse, nello stesso momento, tutte le equazioni necessarie alla risoluzione del problema, permettendo così di manipolarle tutte simultaneamente. Questo approccio offre un modo efficiente per progettare circuiti logici, comprimere dati, migliorare la simulazione del linguaggio e la modellizzazione molecolare.