La domanda è molto estesa e non è semplice dare una risposta che sia concisa e allo stesso tempo non sia — come chi domanda, richiede — troppo tecnica, ma ci proverò.

I pilastri fondamentali su cui poggia tutta quella nuova branca della scienza che va sotto il nome di quantum information, la quale coinvolge con la fisica e la computer science più o meno direttamente, anche la biologia molecolare e forse le neuroscienze, sono questi.

• La materia microscopica — cioè la materia al suo livello molecolare o atomico (ma anche nucleare e sub-nucleare) — segue leggi dinamiche (leggi del moto) che non sono incorporate nella meccanica newtoniana né, tanto meno, in quella einsteiniana, bensì in quella più esoterica meccanica che è detta quantistica.
• Le leggi della fisica quantistica differiscono profondamente dalle leggi classiche e alcune fra esse sono addirittura contrarie alla nostra intuizione. In particolare due fra queste comportano conseguenze estreme: la prima è la proprietà che uno stato¹ generico di un sistema fisico microscopico è tipicamente la sovrapposizione di tutti gli stati in cui l'oggetto potrebbe trovarsi. È questo un concetto che palesemente non corrisponde alla nostra esperienza quotidiana, in cui per esempio lo stato di una particella lo pensiamo come ben definito dalla sua posizione e velocità, non da una difficilmente immaginabile coesistenza di tutte le possibili posizioni e velocità che essa potrebbe avere, ma così ci dice il principio di sovrapposizione quantistico. Il secondo fatto straordinario nella meccanica quantistica riguarda la misura, cioè che cosa accade quando un osservatore cerca di determinare appunto lo stato di un sistema: il risultato della misura è infatti sempre quello che corrisponde a uno e uno solo degli infiniti stati possibili (nel quale, incidentalmente, l'oggetto osservato si troverà a seguito della misura); non alla loro sovrapposizione. Nella misura vi è una caratteristica nuova: l'aleatorietà. Questo significa che se si osserva più volte il sistema fisico, ogni volta rimettendolo nelle identiche condizioni, non si trova sempre lo stesso risultato nella misura, ma si ottengono molti risultati diversi, ciascuno con una frequenza (e quindi probabilità) diversa.

Sono essenzialmente le due proprietà indicate sopra che implicano una straordinaria capacità della materia: quella di essere in grado di codificare nei suoi stati microscopici informazione. Per comprendere questo basta ricordare quanto abbiamo detto sul fatto che molti dei parametri che identificano uno stato sono discreti, vale a dire si possono rappresentare con numeri interi (per esempio, il numero di fotoni in un fascio laser): assegnare uno stato significa quindi individuare una collezione di numeri interi e farlo evolvere nel tempo, significa far variare tali numeri interi in altri interi. In altre parole, l'evoluzione dinamica di un sistema quantistico assomiglia molto da vicino a un calcolo: la materia quantistica evolvendo calcola. Il paradigma fondamentale di tutta la computazione quantistica è proprio questo.

Il passaggio alla biologia è più sottile, ma non troppo difficile da indicare, almeno nelle sue linee generali. Una delle proprietà fondamentali della materia vivente è, naturalmente, la sua capacità di riprodursi; a livello più elementare tale riproduzione comporta che un oggetto complesso ma quantistico — come per esempio una molecola di DNA — riesca a leggere, cioè misurare, la propria struttura, responsabile ultima della forma dei suoi stati, e a trasferire l'informazione relativa alla materia circostante, guidandola a operare auto-organizzandosi, in modo da farle fare una copia di sé. L'essere quantistico è qui l'elemento chiave del discorso: la complessità combinatoria delle soluzioni possibili è praticamente infinita e nessun sistema fisico classico potrebbe evolvere, se non in tempi irragionevolmente lunghi, se a ogni passo esso dovesse esplorare tutto lo spazio delle possibilità, prima di procedere avendo individuato quella ottimale. Ma un sistema quantistico, come abbiamo visto, questo lo può fare, perché un suo stato generico è la sovrapposizione di tutti gli stati accessibili. Naturalmente il fondamentale problema scientifico dell'emergere della vita dalla materia inanimata è più elusivo, in quanto vi è una sottile correlazione fra l'essere quantistico e la complessità (soltanto quando il sistema è sufficientemente complesso i legami collettivi consentono una vera manipolazione e trasferimento dell'informazione codificata negli stati) e non si può sostenere che la fisica quantistica lo risolva completamente, ma certo ne è una componente importante.

Per quanto infine riguarda i codici di correzione di errore, questi altro non sono che procedure, protocolli presenti in tutti i computer, ovviamente anche quelli tradizionali che usiamo ogni giorno, mediante i quali la macchina rileva certi tipi di errore (accidentali) e li corregge. La loro logica è molto semplice e si basa sulla ridondanza: l'informazione viene codificata — per così dire — in più copie e il calcolo viene eseguito più volte; se in qualche punto viene commesso un errore, risulta facile rivelarlo confrontando le varie soluzioni ed è semplice istruire il calcolatore su come procedere per correggerlo. Bene, un risultato importante della computazione quantistica è che anche per i computer quantistici, in cui è la materia che calcola, si possono progettare le cose in modo da rendere realizzabili codici di correzione. Nel caso quantistico, poi, è possibile fare di più, costringendo il sistema fisico microscopico che manipola l'informazione a rimanere confinato in un sottoinsieme di tutti gli stati possibili, costituito di stati che non risentono degli effetti dell'ambiente circostante (che, appunto nel caso quantistico, sono all'origine degli errori): questi sono detti codici che evitano l'errore.

Note:

(1) il concetto di stato ha una sua ben precisa e rigorosa definizione matematica, ma si può pensare uno stato semplicemente come la collezione di tutti quei parametri che servono a identificare lo stato di moto — la dinamica — del sistema; nel caso quantistico tali parametri sono spesso discreti, perché le quantità fisiche corrispondenti si presentano solo a pacchetti: per esempio le particelle dette fotoni trasportano i quanti di energia della luce.