Quantum Computing: i supercomputer del futuro

Si dice che il calcolo quantistico (in inglese: “Quantum Computing”) rivoluzionerà le tecnologie informatiche con l’aiuto della meccanica quantistica. Principi come la sovrapposizione o la correlazione quantistica saranno applicati sotto forma di qubit nei computer quantistici, creando macchine ad alte prestazioni con capacità pressoché illimitate. I computer quantistici diventeranno realtà? Dipenderà dalla capacità di superare ostacoli come il collegamento dei qubit e i limiti degli impianti di raffreddamento moderni.

Cos’è il calcolo quantistico?

Uno spettro si aggira nel mondo dei computer: si chiama calcolo quantistico. Se tutte le previsioni si avvereranno e un giorno i computer quantistici saranno pronti per essere lanciati sul mercato, assisteremo a una vera e propria rivoluzione tecnologica. Come? Grazie alle leggi della meccanica quantistica, che comprendono in particolare tre principi definibili come i pilastri del calcolo quantistico.

• Sovrapposizione: indica la capacità di un sistema quantistico di assumere contemporaneamente più stati, 1 e 0 anziché 1 o 0.
• Correlazione quantistica (entanglement): descrive un fenomeno di meccanica quantistica in cui due o più particelle sono intrecciate formando un unico oggetto. I cambiamenti di una particella dell’insieme si riflettono automaticamente su tutte le particelle collegate.
• Collasso quantistico: definisce il momento in cui i sistemi in sovrapposizione vengono misurati, passando a uno stato definito (da 1 e 0 a 1 o 0).

I computer classici si basano sul principio binario “ON/OFF” oppure “1/0”. I computer quantistici utilizzano invece stati non binari, multidimensionali e di meccanica quantistica. A differenza dei computer classici, risolvono problemi non in successione, ma in parallelo e in contemporanea. Anche i più complessi. Dovrebbero così generare una capacità di calcolo superiore di un milione di volte, con tempi di elaborazione nettamente inferiori.

Se tutto andrà secondo i piani, i computer quantistici genereranno un salto evolutivo tecnologico in tutti i settori che comportano un’elaborazione complessa dei dati. Ad esempio, l’e-commerce, la crittografia, la medicina, le transazioni finanziarie, i Big Data, l’IA e l’apprendimento automatico.

Come funziona il calcolo quantistico?

Il calcolo quantistico non è facile da capire. Al posto dei bit binari, per risolvere problemi matematici ed elaborare i dati i computer quantistici usano qubit (bit quantistici). Il classico bit è basato sul codice binario.

Un bit può assumere solo uno di due stati: 1 oppure 0. I qubit invece lavorano in modo non binario e assumono i due valori contemporaneamente: 1 e 0. La meccanica quantistica aumenta il potenziale prestazionale dei computer quantistici di un milione di volte rispetto ai PC binari. I qubit possono infatti assumere non soltanto gli stati 1 e 0 contemporaneamente, ma stati intermedi infiniti. Elaborando le informazioni in simultanea, i computer quantistici sono in grado di risolvere compiti complessi che sono fuori dalla portata dei computer classici.

Sovrapposizione e correlazione quantistica

Prendiamo un esempio semplice: provate a immaginare che il funzionamento dei computer classici e dei computer quantistici sia come lanciare una moneta. Nei computer classici, la moneta cade e solo da una parte. Possono quindi capire solo testa (che rappresenta 0) o croce (che indica 1). I computer quantistici usano invece una moneta che non cade mai, ma gira continuamente nell’aria, risultando essere testa e croce contemporaneamente. Si trova in stato di sovrapposizione.

Soltanto con una misurazione i qubit assumono uno stato binario. Immaginate di nuovo la moneta che gira nell’aria. Finché nessuno la guarda, continua a ruotare sospesa ed è testa e croce insieme. Ma nel momento in cui viene osservata, ovvero viene eseguita una misurazione dello stato, la moneta cade a terra indicando testa o croce. Occorre inoltre considerare che nei computer quantistici i qubit sono intrecciati fra loro. Se cambia un qubit, per via della correlazione quantistica cambiano anche i qubit collegati. Anche la velocità di calcolo dei computer quantistici risulta quindi aumentata. Diversi qubit sono poi raggruppati in registri quantistici di bit binari per le operazioni di calcolo.

Quanta potenza in più offrono i computer quantistici?

La scienza e l’industria ripongono grandi speranze nelle potenzialità dei computer quantistici. Alcuni scienziati e scienziate prevedono addirittura di poter simulare il Big Bang e di dimostrare l’esistenza degli universi paralleli. Di sicuro i computer quantistici presentano un potenziale illimitato nonostante gli ostacoli tecnici. Un qubit ha una potenza di calcolo più che doppia rispetto a un bit, poiché può assumere contemporaneamente gli stati 1 e 0 e numerosi stati intermedi. Così, per ogni qubit in più la potenza di calcolo si moltiplica. Tre qubit possono anche assumere otto stati in parallelo, 300 qubit già due alla potenza di 300 stati.

Quali vantaggi e svantaggi offre il calcolo quantistico?

Possibili campi di applicazione dei computer quantistici

Ci vorranno ancora alcuni anni prima che i computer quantistici trovino applicazione pratica. Sulla base dei loro vantaggi per i sistemi di dati complessi e per l’elaborazione delle informazioni si possono tuttavia prevedere i seguenti campi d’applicazione:

• Simulazioni quantistiche per scienze e medicina
• Chimica e biologia quantistica
• Creazione di modelli finanziari complessi
• Ottimizzazione dell’intelligenza artificiale e dei sistemi autoapprendenti
• Ottimizzazione delle tecniche crittografiche
• Tecnologie intelligenti come smart grid, smart city e smart house
• Guida autonoma
• Data mining
• Aeronautica e Astronautica

Ostacoli tecnici per i computer quantistici

Il motivo principale per cui i computer quantistici a oggi si trovano ancora nella fase di sviluppo è rappresentato dai requisiti tecnici. I qubit sono sistemi quantistici molto sensibili e volatili. Per ottenere risultati più esatti possibili, i computer quantistici devono essere in grado di intrecciare milioni di qubit in modo affidabile. Un altro ostacolo è costituito dal fatto che i computer quantistici possono lavorare solo vicinissimo al punto zero di temperatura assoluto (-273,15 gradi Celsius). Il solo raffreddamento degli attuali chip quantistici richiede giorni e sistemi di raffreddamento ultramoderni.

Gli algoritmi quantistici per la soluzione di problemi complessi e l’elaborazione dei dati si basano su principi completamente nuovi rispetto agli algoritmi conosciuti. Ad esempio, la formazione di unità di calcolo e memoria e spazi di simulazione multidimensionali, cosa non alla portata dei computer di oggi. Per questo motivo, per i computer quantistici saranno necessari un nuovo hardware e un nuovo software per tradurre i record in forme compatibili con i qubit ed elaborarli. Anche il tipo di programmazione e i linguaggi di programmazione dovranno percorrere nuove strade per soddisfare i principi della meccanica quantistica.

A che punto si trova oggi il calcolo quantistico?

Si è parlato del calcolo quantistico la prima volta nel 1980, quando il fisico Paul Benioff ha descritto una variante di meccanica quantistica della macchina di Turing. A fine anni Ottanta, il fisico teorico Richard Feynman e il matematico Yuri Manin hanno poi formulato il potenziale prestazionale dei computer quantistici rispetto ai computer classici. Da allora l’interesse per i computer quantistici è in continuo aumento. Governi e società come IBM, Google e Microsoft lavorano alla realizzazione dei computer quantistici investendo milioni di dollari.

Nel 2019, IBM ha presentato un computer quantistico con 20 qubit. Il 23 ottobre 2019, in una collaborazione tra Google AI e la NASA, con il processore Sycamore Google ha a sua volta proclamato il raggiungimento della “supremazia quantistica”. Sycamore avrebbe svolto per la prima volta compiti che neanche i migliori supercomputer classici possono risolvere. Nel 2020, IBM ha poi annunciato di aver sviluppato uno dei più grandi computer quantistici, “Hummingbird”, con 65 qubit. Nel 2021 è seguito il modello IBM “Eagle” con 127 qubit.

All’inizio del 2023 è stato risolto un altro grande problema del calcolo quantistico: finora è sempre stato difficile trasferire i dati di un computer quantistico in modo efficiente e coerente tra i chip. Oggi, tuttavia, le probabilità di successo nel trasferimento tra due chip raggiungono fino al 99,999993%.

Nonostante il progresso continuo dei supercomputer, attualmente non si può ancora prevedere che scalzeranno completamente i computer classici. È molto più probabile una combinazione ibrida di PC classici e computer quantistici. In questo modo, i computer quantistici forniscono i primi risultati da enormi quantità di dati, poi i supercomputer classici, più precisi, li elaborano secondo il principio binario.