tecnologia

Cosa è e come funziona il computer quantistico?  I numeri della nuova informatica

di Luca Tremolada


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5' di lettura

Possiamo serenamente dire che questa volta è davvero iniziata la corsa alla supremazione nel computer quantistico. Due le notizie rilevanti. La prima al Consumer Electronic Show di Las Vegas dove Ibm ha annunciato il primo computer quantistico, adatto all'uso commerciale, ma anche scientifico. Q System One potrà essere utilizzato da centri di ricerca e grandi compagnie o istituti di credito. Non si tratta di uno dei computer più potenti, ma mostra per la prima volta le applicazioni pratiche di questo tipo di calcolatori. La seconda è di un mese ma è forse ancora più rilevante perché riguarda la pubblicazione di due paper del team Google Quantum di Moutain View in cui vengono anunciati passi in avanti nella comprensione delle potenzialità dei computer quantistici nell’ambito dell’intelligenza artificiale. I due studi che trovate qui sul blog di Google chiariscono anche in che direzione i ricercatori di Moutain View stanno guardando. A luglio la stessa Google aveva annunciato Cirq, un software per aiutare gli sviluppatori a sperimentare forme di programmazione sulle macchine quantistiche, tra cui naturalmente il super-potente processore quantico di Google. Tecnicamente è un framework open source come quello che Tensor Flow sempre del colossi di Mountain View per l'intelligenza artificiale. Strategicamente arrivare prima nell’informatica quantistica significa mettere le mani su applicazioni in grado di abilitare nuovi mercati o occupare spazi all’interno di business tradizionali. Sulla palla c’è Google e Ibm, ma anche Intel e i big dell’industria tradizionale del silicio. Per capire di cosa stiamo parlando e cosa c’è in ballo, proviamo a spiegare bene cosa è un computer quantistico e perché se ne parla ormai da dieci anni.

Cosa è un computer quantistico. I computer quantistici sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica per l'elaborazione dei dati. La loro unità fondamentale è il qubit, capace di svolgere i calcoli in contemporanea grazie alla sovrapposizione di stati quantistici. Ecco perché si scrive che questa nuova informatica possa permettere di superare i limiti della legge di Moore. Il computer quantistico invece dei bit digitale che sono rappresentati da un codice binario, 1 o 0 , usa i “qubit”, che possono essere in entrambi gli stati contemporaneamente e possono anche influenzarsi a vicenda anche se non sono fisicamente connessi. Proprietà fondamentale del computer quantistico è quindi la possibilità di rappresentare in modo sovrapposto gli stati classici, vale a dire 0 e 1. La seconda proprietà fondamentale che li caratterizza riguarda la cosiddetta interferenza, una terza proprietà importante è legata alla possibilità del qubit di essere entangled, vale a dire intrecciati tra loro portando a una correlazione profonda.

Il computer quantistico spiegato in 10 minuti

Quali sono le applicazioni?
Abbiamo già capito come il computer quantistico sia in grado o almeno prometta di processare – nello stesso momento, attraverso il calcolo parallelo – più soluzioni ad un singolo problema anziché svolgere calcoli sequenziali come avviene ora. Per alcune applicazioni il computer quantistico sarà esponenzialmente più veloce di quello a transistor come ad esempio la crittografia (cybersecurity), le previsioni metereologiche, la realizzazione di nuovi materiali. Le prime applicazioni però saranno proprio nella scoperta e nella realizzazione di nuovi materiali. Un esempio che si fa spesso è quello relativo agli sviluppi nell’ambito della cybersecurity. Anzi, della crittografia legata alle comunicazioni. Oggi attraverso le reti di fribra ottica inviamo miliardi di fotoni divisi in pacchetti. È piuttosto difficile accorgersi immediatamente se qualcuno ha copiato o intercettato queste comunicazioni. In un “mondo” regolato dalla crittografia quantistica un oggetto che associa a un bit di informazione un fotone rivela immediatamente se qualcosa è andato storto, se un bit di informazione è stato copiato o intercettato. In particolare la distribuzione quantistica di chiavi di crittografia (Quantum Key Distribution), utilizzando le proprietà della luce a livello quantistico, permette di rivelare in tempo reale la presenza di attacchi e violazioni del canale di comunicazione, garantendo quindi la sicurezza della trasmissione.

Perché è così complesso realizzare un computer quantistico. Come ha spiegato Jim Clarke, direttore del Quantum Hardware research group «Se fosse semplice avremmo già costruito una macchina che funziona con le logiche della meccanica quantistica - tiene a precisare lo scienziato -. Ci vorranno almeno dieci anni prima di avere un sistema abbastanza potente da essere rilevante per la nostra società». Il problema è che gli oggetti quantistici sono estremamente sensibili: basta un campo magnetico piccolissimo per interferire con il loro stato. Qualsiasi tipo di manipolazione è immediatamente percebile. Immaginate ora di mettere una moneta da un euro su un tavolo. Se la faccio ruotare su un tavolo e ti chiedo se è testa o croce mentre gira, potresti dire che la risposta è entrambe le cose. Immagina ora di lanciare non una due monete. Avrai quattro stadi. Ma cosa succederebbe se lanciassimo in aria cinquanta, cento monete? La capacità di generazione di combinazioni aumenterebbe esponenzialmente come la capacità di calcolo. Siamo dentro alle logiche quantistiche. Nella realtà come in teoria le monete, o qubit, alla fine smettono di girare e collassano in uno stato particolare che può essere testa o croce. L'obiettivo dell'informatica quantistica è quello di farli girare a lungo nella sovrapposizione di più stati.

Il nodo del software. Per sfruttare questa macchine serve un software e un linguaggio completamente diverso e ad oggi sono pochissimi gli sviluppatori che sanno dove mettere le mani. Siamo, va detto, in una fase precoce dello sviluppo dell'informatica quantistica ma proprio per questo è strategico mettere le mani avanti.

Chi lavora sull’hardware. Come abbiamo visto c’è Ibm, Google ma anche Intel e numerose startup che hanno prototipi e prodotti. IBM Q System One “viaggia” a 20 qubit. Google dichiara di arrivare a 75. Il cuore del problema però, come abbiamo vista, è garantire stabilità e replicabilità alle operazioni di calcolo.

Le piattaforme digitali. Se infatti nell'Ia c'è una supremazia delle grandi piattaforme digitali cino-californiane sul quantum computing la partita sembra più aperta. L'Europa, per esempio, l'Europa prevede in generale lo sviluppo di quantum computer ad alte prestazioni - nell'ordine dei 100 qubit - in un lasso di tempo tra cinque e dieci anni. E ha investisto qualcosa come un miliardo di euro.

PS: Relativamente al funzionamento di un computer quantistico, all'interno di questo pezzo era riportato l'esempio di una ricerca di un numero su un elenco telefonico. Più nel dettaglio, avevamo spiegato come un computer quantistico potesse cercare istantaneamente in tutta la rubrica, valutando ogni riga simultaneamente. A seguito della segnalazione di un lettore abbiamo constatato che l'esempio riportato non era corretto. E per tale ragione è stato rimosso.

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