Cos’è e come funziona il computer quantistico

Cos’è e come funziona il computer quantistico

Il computer quantistico è già una realtà, anche se ancora non è certo uno strumento di utilizzo quotidiano. Scopriamo in che cosa consiste questa straordinaria tecnologia

Il computer quantistico non è tanto una macchina fisica realmente già esistente e in commercio, quanto una disciplina che contiene tutte le promettenti applicazioni della fisica quantistica nell’ambito informatico, che potrebbero rivoluzionare completamente il paradigma attuale, basato sul calcolo binario.

Si tratta di una disciplina neonata, con prospettive di ricerca importanti se affiancate a tecnologie emergenti come l’intelligenza artificiale. Il computer quantistico permetterebbe di avere simulazioni molto più complesse e risolvere problemi logici che i più potenti supercomputer attuali non possono risolvere. A questo proposito, nel 2021 Preskill ha teorizzato la supremazia quantistica, ossia il fatto che il computer quantistico sarà in grado di eseguire calcoli completamente al di fuori della portata di un computer tradizionale. Basta dire che potrebbe risolvere in pochi secondi calcoli che un computer tradizionale impiegherebbe magari un anno e mezzo a risolvere.

Tutto questo è ancora per molti versi potenziale. Il fatto è che l’informatica quantistica è ancora in uno stadio embrionale mentre l’informatica tradizionale corre sempre, nei termini di avanzamento software e hardware. Vediamo insieme cos’è un pc quantistico e quali sono le principali tappe della sua (breve) storia.

Cosa è un computer quantistico

Il computer quantico è un calcolatore che elabora i dati basandosi sui principi della meccanica quantistica, la branca della fisica che si occupa dello studio delle particelle subatomiche. La meccanica quantistica è una disciplina relativamente giovane che nasce per descrivere il comportamento della materia nell’infinitamente piccolo, là dove le teorie classiche non bastavano più. Uno dei capisaldi della meccanica quantistica è il principio di indeterminazione di Heisenberg, che rivoluziona la fisica tradizionale.

Il principio afferma che non è possibile misurare contemporaneamente e con precisione le proprietà dello stato di una particella elementare, per esempio la sua posizione nello spazio e la sua velocità, perché se per assurdo avessimo un microscopio così potente da rilevare la posizione, non riusciremmo a misurarne la velocità senza andare a modificare lo stesso parametro.

Cos’e la tecnologia quantistica?

La cosa stupefacente è che molti dei presupposti su cui si basa il quantum computing sono ancora misteriosi. Si conoscono cause ed effetti, ma le dinamiche che sono dietro a ciò sono ancora da investigare. Il quantum computing è rivoluzionario e utilizza quindi il calcolo quantistico e i qubit, che si rivelano essere incredibilmente più veloci rispetto ai metodi tradizionali.  Il qubit è un oggetto matematico con le sue specifiche proprietà. Se il bit è il quanto di informazione (ossia la più piccola porzione in cui un’informazione può essere scomposta) dei sistemi binari, il quantum bit è la più piccola porzione di informazione nella computazione quantistica.

Mentre il bit esprime uno stato di 1 o 0, il qubit, per il principio di sovrapposizione, può essere sia 1 che 0 in varie proporzioni e contemporaneamente. Questa caratteristica fa sì che miliardi di operazioni possano essere eseguite da pochi qubit. Infatti, l’elettronica basata sui transistor ha – per sua costituzione – dalla sua grande semplicità, dall’altra presenta limiti dovuti al fatto che ha solo due possibili stati, acceso o spento, il che fa sì che si possa eseguire solo un calcolo alla volta.

La legge di Moore

Come sostiene la celeberrima legge di Moore, che si applica ai microcircuiti tradizionali, la velocità di calcolo raddoppia ogni 18 mesi. Negli ultimi anni abbiamo miniaturizzato l’hardware, arrivando ad avere micro processori che possono essere moltiplicati per avere sempre maggiore potenza di calcolo, ma presto limiti fisici della materia impediranno ulteriori miniaturizzazioni. Il computer quantistico potrebbe offrire un altro paradigma di calcolo facendo fare un salto di qualità che non ha precedenti. Le potenzialità di questa tecnologia sono testimoniate dagli ingenti investimenti messi in campo dai principali player del settore.

Tutto ciò, infatti, ha un prezzo: il computer quantistico lavora a temperature prossime allo zero assoluto (-273.15 °C), ottenibili con sistemi refrigeranti che utilizzano elio-3, estremamente costoso e comunque sensibile alle vibrazioni. Solo poche realtà al mondo sono in grado di sostenere gli investimenti necessari.

Accenni sul quantum compunting

Il modello di computazione quantistico prevede di operare ai limiti delle leggi della fisica. Si utilizzano soprattutto due proprietà quantistiche del qubit, che sono la sovrapposizione quantisticae l’entanglement. Non si tratta di concetti facilissimi per tutti da apprendere ad una prima infarinatura, quindi vediamo di chiarire meglio questi concetti.

Il principio di sovrapposizione quantistica

Il principio di sovrapposizione quantistica prevede che ogni elettrone, inserito in un campo magnetico, può avere stato allineato o opposto (rispettivamente spin-up e spin-down). Per la fisica quantistica una particella potrebbe assumerli entrambi contemporaneamente, da qui sovrapposizione. Quindi il qubit può essere 0, può essere 1, e può essere tutte le combinazioni possibili di 0 e 1. Per innescare la sovrapposizione si utilizzano microonde o laser di precisione.

La correlazione quantistica

La correlazione quantistica o entanglement: quando il computer genera coppie di qubit in un singolo stato quantistico. Se il sistema è perfettamente isolato, al variare dell’uno ci si attende la variazione dell’altro. Anche se il motivo per cui ciò avviene è ancora piuttosto misterioso, l’aggiunta di qubit genera un aumento esponenziale della potenza di calcolo del computer.

La decoerenza quantistica

La decoerenza quantistica è la correlazione e sovrapposizione sono fenomeni molto fragili, proprio per la natura del qubit. Se il sistema perde il suo isolamento, la più piccola variazione delle caratteristiche del sistema causa decoerenza quantistica. Ossia si perde la sovrapposizione o la correlazione prima ottenuta, rendendo i risultati di calcolo non affidabili. Si parla anche di rumore quantistico per riferirsi  a variazioni minuscole di temperatura o minime vibrazioni che possono far uscire le particelle dallo stato di sovrapposizione.

La  decoerenza è un fenomeno molto veloce ed efficiente. Sono state pensate soluzioni per il problema, ma sono costose e complesse. Oltre a lavorare a temperature prossime allo 0 assoluto, un’opzione consiste nell’usare i campi elettromagnetici per intrappolare le particelle atomiche dotate di carica elettrica, per fare sì che gli elettroni divengano a tutti gli effetti dei qubit. Il quantum Lab, infine, è la ricerca che ha come scopo quello di aumentare il più possibile il tempo di coerenza, così che i qubit possano eseguire i calcoli più complessi prima che insorga decoerenza.  Al momento si parla di 100 microsecondi.

La storia del computer quantistico

Si fa iniziare ufficialmente la storia del computer quantistico nel 1982, quando Richard Feyman teorizzò i simulatori quantistici, ossia macchine che potessero elaborare lo studio di sistemi quantistici, impossibile da fare con i supercomputer tradizionali.  Già prima il premio Nobel Murray Gell-Mann, creatore della teoria dei quark,  aveva intuito la possibilità di una informatica basata sul comportamento delle particelle subatomiche.

Dobbiamo obbligatoriamente fare un cenno anche alla prima vera tappa. Nei primi 30 anni del secolo scorso, nasce la fisica quantistica, grazie a un gruppo di ricercatori di eccellente caratura come Fermi, Einstein, Pauli, Planck e tanti altri. Nel 1936 Birkhoff e Von Neumann pubblicano un articolo, “The Logic of Quantum Mechanics”, in cui si esplora la possibilità di utilizzare la meccanica quantistica per approcciare in modo innovativo diversi ambiti della logica.

Negli anni ‘70 Holevo pubblica un articolo sulla Quantum Information Theory, che lo studioso Ingarden riprende pochi anni dopo. Come già accennato nel 1982, Feynman, durante una conferenza al MIT di Boston, attacca la vecchia concezione che voleva che fosse impossibile simulare un sistema quantistico con un computer tradizionale. Feynman introduce inoltre per la prima volta il concetto di sovrapposizione quantistica.

Dagli anni 80 ad oggi

Nel 1985 Deustch della Oxford University descrive il primo computer quantistico e dieci anni più tardi, nel 1995, Peter Shor scopre un algoritmo di fattorizzazione che consente a un computer quantistico di scomporre in fattori qualsiasi numero intero. È del 1998 la realizzazione del primo computer quantistico a 2-qubit di alcuni ricercatori dell’Università della California, a Berkeley. Entro il 2001 l’IBM realizza vari modelli, fino a 7-qubit. Passano gli anni, nel 2018 è sempre IBM a firmare un sistema quantistico a 17 qubit, con qubit di qualità migliorata, con tempi di coerenza pari a 90 microsecondi.

Un anno dopo, IBM annuncia l’uscita del primo computer commerciale, localizzato a Las Vegas, con 20 qubit, disponibile attraverso un sistema di servizi in cloud. Si arriva anche a eguagliare e superare la potenza di calcolo dei più potenti supercomputer tradizionali, stimata nell’ordine dei 50 qubit.

Il 2019 è anche l’anno in cui Google, insieme a NASA, annuncia Bristlecone, un chip da 72 qubit (in grado di elaborare in 200 secondi un calcolo che un supercomputer tradizionale avrebbe impiegato 10.000 anni a risolvere). Nel 2021 il CERN diventa ufficialmente un Quantum Hub che sfrutta i computer quantistici di IBM per fare ricerca. E il futuro? Entro il 2023 IBM presenterà un computer quantistico a 1121 qubit. Ora si presenta anche un’altra sfida: creare applicazioni specifiche da eseguire per sfruttare la potenza di questi computer. IBM ha messo a disposizione, in cloud, alcuni sistemi quantistici da 14 qubit che gli studenti possono usare liberamente, per incentivare la nascita di una nuova categoria di sviluppatori che possano essere a loro agio nel ragionare su un algoritmo quantistico. 

Chi ha un computer quantistico?

Al momento i computer quantistici sono fisicamente nei laboratori dei grandi player già citati, che investono nel loro sviluppo. Questo perché, come già scritto poco sopra, i computer quantistici devono lavorare in determinate condizioni fisiche, molto costose da ottenere. Questo non vuol dire che non è possibile usare il computer quantistico, perché è possibile farlo via cloud.

Cosa può fare il computer quantistico

Una delle prime possibili applicazioni del computer quantistico è quello relativo alla crittografia quantistica. Diciamo tra computer quantistico e tradizionale nel settore non sarebbe in nessun modo una partita ad armi pari. Tutte le attività basate sulla protezione dei dati sarebbero a rischio. La quantum-safe crittography è una risposta alla minaccia. Sono schemi di crittografia che possono essere eseguiti anche dai computer “normali”, ma che al contempo sono al sicuro dalla minaccia di un computer quantistico.

Altre possibili applicazioni, secondo le analisi di Gartner, che nel 2019 ha scritto “The CIO’s guide to Quantum Computing” sono relative al machine learning, all’intelligenza artificiale, alla computer science, alla chimica (nuovi fertilizzanti o nuovi prodotti per batterie potrebbero essere ingegnerizzati meglio), biochimica ( nuovi farmaci, medicina personalizzata) e finanza.  Ancora, altri campi che potrebbero ricevere una spinta dal calcolo quantistico sono la medicina (pensiamo al sequenziamento del DNA, i trattamenti radioterapici o la diagnostica dei tumori) e persino la ricerca dei materiali, per avere vernici con qualità speciali, lubrificanti con viscosità mai formulata, ecc.

Computer quantistico e intelligenza artificiale

Spendiamo qualche parola in più riguardo alle applicazioni nelle tecniche di intelligenza artificiale, ambito nel quale la potenza dei supercomputer tradizionali si trova già ad essere messa in difficoltà nell’ambito del deep learning e per le applicazioni che mirano a imitare il ragionamento tipico dell’essere umano. Infatti il computer quantistico può essere in grado di sostenere un’attività computazionale molto simile a quella delle sinapsi umane, con la creazione di reti neurali davvero simili (ed efficaci).

Perché i computer quantistici possono costituire una minaccia?

Tutta questa potenza straordinaria naturalmente presenta una faccia oscura: se vogliamo fare considerazioni di carattere etico, possiamo immaginare che se venisse utilizzata per fini criminali, potrebbe avere conseguenze tremende. Come già accennato, le applicazioni dell’informatica quantistica possono essere dirette anche alla biochimica; infatti i computer quantistici possono calcolare la modellazione molecolare. Le reazioni chimiche sono di natura quantistica e si usa un sistema quantistico per studiarle.

Google nel 2019 ha utilizzato il suo sistema Sycamore per eseguire la simulazione chimica più complessa mai realizzata, modellizzando il comportamento di una lunga catena di atomi di idrogeno. La simulazione del comportamento delle macromolecole è in generale fuori dalla portata dei computer al silicio: i calcoli si fanno troppo lunghi e complessi.