Il quantum computing è un paradigma di calcolo che sfrutta i principi della meccanica quantistica per elaborare informazioni in modo radicalmente diverso rispetto ai calcolatori classici. Mentre i computer tradizionali utilizzano bit che possono assumere uno dei due stati, 0 o 1, i computer quantistici impiegano qubit, che grazie alla proprietà della sovrapposizione quantistica, possono esistere simultaneamente in più stati. Altra proprietà fondamentale è l'entanglement quantistico, che permette ai qubit di essere correlati in modo tale che lo stato di uno influenzi istantaneamente lo stato dell'altro, anche se separati da distanze enormi.
Queste caratteristiche offrono potenzialità straordinarie per risolvere problemi che sono difficili o impossibili da affrontare con i calcolatori classici, come la simulazione di molecole complesse per la scoperta di farmaci o la decifrazione di algoritmi criptografici.
Il concetto di quantum computing è stato teorizzato per la prima volta nei primi anni '80.
Uno dei primi a suggerire che la meccanica quantistica potesse essere applicata al calcolo è stato il fisico Richard Feynman. Nel 1981, Feynman tenne una conferenza in cui sostenne che i computer classici non sarebbero mai stati in grado di simulare in modo efficiente i sistemi quantistici poiché il comportamento di questi sistemi richiede un tipo di calcolo che può essere gestito solo da un dispositivo che sfrutta le leggi della meccanica quantistica. Potremmo anche dire: così nacque il quantum computing!
Nel 1985, David Deutsch dell'Università di Oxford propose una versione universale di un computer quantistico, un modello che potesse teoricamente eseguire qualsiasi calcolo che un computer classico sarebbe in grado di eseguire, ma in modo molto più rapido grazie all'uso di qubit e dell'entanglement.
Il quantum computing, a ben guardare, ha il potenziale di rivoluzionare molti settori. Un esempio è la simulazione di sistemi quantistici, che è impossibile per i computer classici a causa della crescita esponenziale della complessità computazionale. In ambiti come la chimica, la fisica dei materiali e la farmacologia, i computer quantistici potrebbero accelerare la scoperta di nuovi farmaci, materiali e tecnologie.
Tipologie di calcolo quantistico: Gate-based vs. Quantum Annealing.
Il calcolo quantistico universale è chiamato "gate-based" (IBM, Google, Rigetti) e utilizza un approccio simile a quello dei computer classici, ma fa uso di porte quantistiche che manipolano i qubit in vari stati quantistici. Questo approccio permette di eseguire una varietà di operazioni su più qubit, ma è molto difficile da scalare, poiché i qubit devono essere mantenuti in uno stato coerente per periodi di tempo più lunghi.
Altro approccio è quelo conosciuto come "quantum annealing" (D-Wave) che si utilizza per la soluzione di problemi di ottimizzazione, dove si cerca di trovare il minimo globale di un sistema. Tale approccio non è versatile come i sistemi gate-based e non sembra poter essere impiegato per eseguire calcoli generali.
Il report "Quantum Decade" di IBM
Il report "The Quantum Decade", recentemente pubblicato da IBM, ci permette di capire la visione ambiziosa della società per il futuro del quantum computing, che punta a una rivoluzione tecnologica da attuare nei prossimi dieci anni. IBM si impegna a sviluppare computer quantistici scalabili e ad affrontare le sfide tecniche legate alla stabilità dei qubit, alla decoerenza e alla correzione degli errori. La decoerenza quantistica, in particolare, che si verifica quando un sistema quantistico perde la sua coerenza a causa dell'interazione con l'ambiente esterno, è uno degli ostacoli principali per la costruzione di computer quantistici affidabili. Nel suo report IBM prevede che nei prossimi dieci anni vi sarà un'ampia diffusione della tecnologia attraverso la piattaforma IBM Quantum, che permetterà a ricercatori e aziende di accedere a computer quantistici via cloud, aprendo la strada a nuove applicazioni nei settori della chimica, della finanza, dell'IA e dell'ottimizzazione.
Tra i principali obiettivi vi è il miglioramento delle metodologie per la misura della potenza dei computer quantistici, con l'introduzione del Quantum Volume, che misura la reale capacità di un computer quantistico di eseguire calcoli complessi, considerando non solo il numero di qubit, ma anche la loro qualità, la durata della coerenza quantistica, la capacità di correggere errori e l'efficacia nel gestire circuiti quantistici di crescente complessità senza compromettere l'affidabilità dei risultati. Parte degli sforzi andrà anche nella esplorazione di nuove architetture basate su qubit superconduttori e materiali topologici.
Il quantum computing è visto come una tecnologia in via di maturazione che sarà in grado di risolvere problemi complessi, dalla simulazione di materiali alla progettazione di nuovi farmaci, segnando un progresso fondamentale nella scienza e nell'industria.
IonQ e la sua architettura a qubit ionici
IonQ è una delle aziende più innovative nel campo del quantum computing, con un approccio unico che utilizza qubit ionici per la costruzione dei suoi computer quantistici. La tecnologia di IonQ si basa sull'uso di ioni intrappolati, che sono atomi caricati elettricamente e manipolati con precisione attraverso campi elettrici e magnetici. Ogni qubit è rappresentato da uno stato quantistico di un singolo atomo, che viene "intrappolato" in un campo elettromagnetico in una struttura chiamata trappola ionica. Questi ioni sono poi manipolati con laser ad alta precisione per eseguire operazioni quantistiche. Una delle principali caratteristiche dei qubit ionici è la loro straordinaria stabilità, che li rende meno suscettibili ai disturbi ambientali e alla decoerenza rispetto ad altre tecnologie di qubit, come quelli basati su circuiti superconduttori.
IonQ si distingue per la sua capacità di ottenere un'alta qualità dei qubit, riducendo il rumore esterno, che è una delle principali sfide nella computazione quantistica. La società ha sviluppato un'architettura scalabile che permette di manipolare un numero crescente di qubit con precisione, rendendo possibile la realizzazione di calcoli complessi e l'esecuzione di algoritmi quantistici. Una delle innovazioni principali di IonQ è la piattaforma IonQ Cloud, che consente a ricercatori, aziende e sviluppatori di accedere a computer quantistici basati su ioni intrappolati tramite il cloud, rendendo la tecnologia quantistica più accessibile e facilitandone l'adozione nei settori più disparati.
Sebbene la tecnologia dei qubit ionici necessiti ancora di perfezionamenti per arrivare a una produzione di massa, IonQ ha fatto importanti progressi nella scalabilità e nella precisione, posizionandosi come una delle aziende di riferimento nel panorama del quantum computing. La società è impegnata nel rendere il quantum computing una tecnologia concreta e utilizzabile per applicazioni pratiche.
Il progetto Majorana 1 di Microsoft
Il progetto Majorana 1 si concentra sulla creazione di "qubit topologici", che sfruttano le proprietà dei fermioni di Majorana, particelle la cui esistenza fu teorizzata dal fisico Ettore Majorana. Questi qubit particolari sono progettati per sfruttare le proprietà dei materiali topologici, che sono considerati particolarmente promettenti per la costruzione di computer quantistici più stabili e scalabili. I qubit topologici, infatti, dovrebbero essere più resistenti ai disturbi ambientali, come la decoerenza, che rappresenta uno dei principali ostacoli per i computer quantistici attuali. Tuttavia, per funzionare correttamente, i qubit topologici richiedono temperature estremamente basse, prossime allo zero assoluto, per evitare interferenze ambientali. Per questo motivo, il processore Majorana 1 deve essere immerso in una scatola criogenica, che permette di mantenere la temperatura prossima allo zero assoluto. Questo progetto ambizioso potrebbe rappresentare una delle soluzioni più promettenti per superare i limiti delle attuali tecnologie quantistiche, ma richiede comunque avanzamenti significativi nella manipolazione di questi materiali e nella costruzione di computer quantistici scalabili.
Le principali difficoltà nel progetto riguardano la manipolazione delle particelle di Majorana, che sono estremamente difficili da rilevare e controllare, e le implicazioni che ciò ha per la costruzione di computer quantistici pratici e scalabili. Nonostante i progressi, ci sono ancora sfide significative da superare prima che il Majorana 1 possa essere una tecnologia operativa e diffusa e raggiungere il promesso "un milione di qubit nel palmo della mano".
Qubit a temperatura ambiente
Mentre molti progetti di computer quantistici richiedono temperature criogeniche per garantire il funzionamento dei qubit, esistono anche iniziative che puntano a sviluppare qubit operativi a temperatura ambiente. La creazione di qubit che possano funzionare senza la necessità di raffreddamento estremo rappresenterebbe una svolta significativa per la realizzazione di computer quantistici pratici e scalabili. Diverse aziende e istituti di ricerca stanno lavorando su queste tecnologie alternative. Ad esempio, Google sta esplorando l'uso di qubit fotonici, che sfruttano la luce per rappresentare e manipolare l'informazione quantistica, con il vantaggio di poter operare a temperatura ambiente. Allo stesso modo, la startup Rigetti Computing sta lavorando su un approccio basato su qubit superconduttori, ma con l’obiettivo di ridurre le necessità di raffreddamento attraverso l'uso di nuove tecnologie di isolamenti termici e la progettazione di sistemi di gestione termica più efficienti. Inoltre, alcune ricerche nell’ambito della spintronica e dei materiali 2D stanno cercando di sfruttare le proprietà quantistiche di materiali come il grafene, che potrebbero consentire la manipolazione dei qubit a temperatura ambiente, riducendo notevolmente i costi e le complessità operative. Sebbene questi approcci siano ancora in fase di sviluppo, il potenziale di computer quantistici operativi a temperatura ambiente potrebbe aprire la strada a un futuro in cui la computazione quantistica sarà accessibile e praticabile su larga scala.
D-Wave: Quantum Annealing per l'ottimizzazione.
D-Wave è una delle aziende pionieristiche nel campo del quantum computing, e la sua tecnologia si distingue per l'approccio basato sul quantum annealing, che lo rende particolarmente adatto a risolvere problemi di ottimizzazione complessa. A differenza dei sistemi di calcolo quantistico "gate-based", come quelli sviluppati da IBM o Google, che sono progettati per eseguire una vasta gamma di operazioni su qubit in stato di sovrapposizione, i sistemi D-Wave sono ottimizzati per trovare soluzioni al minimo globale di un problema di ottimizzazione. Questo approccio è utile in scenari come il riconoscimento di pattern, la pianificazione, e la logistica, dove è necessario esplorare una vasta quantità di possibili soluzioni per trovare la migliore.
Un aspetto distintivo dei computer D-Wave è il loro uso di un numero molto elevato di qubit. La versione più recente del sistema, D-Wave Advantage, contiene oltre 5000 qubit, un numero notevolmente superiore rispetto ai computer quantistici "gate-based" attuali, che ne contano generalmente meno di 200. Tuttavia, la capacità di D-Wave di gestire un numero così grande di qubit non significa necessariamente che possieda la stessa flessibilità o potenza di calcolo universale dei sistemi gate-based. I qubit nel sistema D-Wave sono meno interconnessi e non possono essere manipolati con la stessa precisione dei qubit superconduttori o ionici utilizzati in altri approcci.
Nonostante le sue limitazioni in termini di versatilità, la tecnologia di D-Wave ha già delle applicazioni concrete, come il miglioramento di algoritmi di ottimizzazione, simulazioni complesse e risoluzioni di problemi in settori come la finanza, la chimica, e l'energia.
Quantum Computing e cybersecurity
Il quantum computing rappresenta una minaccia significativa per la sicurezza dei sistemi crittografici tradizionali, in particolare per i metodi basati su algoritmi di cifratura a chiave pubblica come RSA e Elliptic Curve Cryptography (ECC). Questi algoritmi sono fondamentali per la protezione delle comunicazioni su Internet e dei dati sensibili, inclusi i sistemi bancari, le transazioni online e la protezione delle informazioni personali. Tuttavia, grazie alla capacità dei computer quantistici di risolvere problemi matematici complessi in tempi molto brevi, l'efficacia di questi algoritmi è messa in discussione.
In particolare, l'algoritmo di Shor, sviluppato da Peter Shor nel 1994, dimostra come un computer quantistico possa risolvere rapidamente i problemi di fattorizzazione e logaritmo discreto, che sono alla base della sicurezza di RSA e ECC. Con l'impiego di algoritmi come Shor, un computer quantistico potrebbe rompere queste tecniche di crittografia, decifrando in tempi brevi le comunicazioni protette da tali metodi.
L'adozione di computer quantistici su larga scala potrebbe quindi compromettere la sicurezza delle informazioni, minacciando le fondamenta della sicurezza informatica moderna.
Per affrontare questa nuova realtà, la comunità scientifica e industriale ha iniziato a sviluppare algoritmi di crittografia post-quantistica. Questi algoritmi sono progettati per resistere agli attacchi da parte dei computer quantistici. La crittografia post-quantistica si basa su principi matematici che sono considerati sicuri anche contro i potenti calcolatori quantistici, e uno dei principali approcci in questo campo è la crittografia basata su lattice (lattice-based cryptography).
Altri approcci emergenti includono codici correttori di errore, hash-based cryptography e multivariate polynomial cryptography, tutti progettati per garantire la sicurezza a lungo termine in un mondo in cui la tecnologia quantistica sta diventando realtà.
Il NIST (National Institute of Standards and Technology), già dal 2016 ha avviato un processo per identificare e standardizzare algoritmi di crittografia post-quantistica. Il processo di selezione, che coinvolge una valutazione approfondita di vari algoritmi, ha lo scopo di definire soluzioni robuste che possano sostituire gli algoritmi vulnerabili quando i computer quantistici saranno abbastanza potenti da mettere a rischio la crittografia esistente.
Inoltre, enti internazionali, aziende tecnologiche e organizzazioni governative stanno investendo risorse significative nella sicurezza quantistica, esplorando nuovi approcci come la crittografia quantistica (che utilizza i principi della meccanica quantistica stessa per garantire la sicurezza) e sviluppando nuove infrastrutture sicure che possano sostenere la transizione verso un ambiente digitale protetto in un mondo con computer quantistici.
Prospettive Future e le Applicazioni Emergenti
Il futuro del quantum computing è entusiasmante e ricco di potenzialità, ma allo stesso tempo incerto e impegnativo. Mentre la tecnologia è ancora in fase di sviluppo e le sfide tecniche da superare sono notevoli, i progressi che stiamo vedendo oggi potrebbero aprire la strada a rivoluzioni in molteplici settori. Le applicazioni del quantum computing non si limitano alla sola crittografia o alla cybersicurezza, ma si estendono a campi che spaziano dalla medicina all'intelligenza artificiale, dalla simulazione chimica alla logistica avanzata.
Nel settore della medicina, i computer quantistici potrebbero accelerare enormemente la scoperta di nuovi farmaci e la comprensione di malattie complesse. La simulazione di molecole e reazioni chimiche a livello quantistico potrebbe, infatti, portare alla creazione di farmaci più efficaci, riducendo notevolmente i tempi e i costi della ricerca farmaceutica. Inoltre, la potenza computazionale offerta dal quantum computing potrebbe rivoluzionare la diagnostica medica, consentendo di elaborare grandi quantità di dati clinici con una velocità e precisione mai viste prima.
L'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico stanno diventando sempre più sofisticati, ma i calcolatori tradizionali, nonostante i loro enormi progressi, hanno dei limiti. Il Quantum Machine Learning (QML) potrebbe superare queste limitazioni, permettendo agli algoritmi di apprendimento automatico di trattare set di dati complessi con velocità e precisione incredibili. I modelli di apprendimento quantistici potrebbero rivoluzionare il modo in cui le macchine apprendono, migliorando significativamente la capacità di predire eventi, automatizzare processi e analizzare grandi volumi di dati non strutturati.
Un altro campo che potrebbe beneficiare enormemente del quantum computing è la simulazione chimica e la progettazione di materiali avanzati. Le simulazioni chimiche tradizionali sono limitate dalla capacità dei computer di elaborare le interazioni molecolari a livello atomico. I computer quantistici, grazie alla loro abilità di manipolare qubit in sovrapposizione e entanglement, possono affrontare simulazioni più complesse, aprendo la porta a scoperte scientifiche come materiali più resistenti, energie rinnovabili più efficienti e nuovi processi chimici.
L'ottimizzazione è un altro campo in cui il quantum computing promette di fare enormi passi avanti soprattutto nella risoluzione di problemi complessi, come la pianificazione delle risorse, la logistica e il miglioramento di algoritmi di ricerca.
Infine, uno degli sviluppi più interessanti riguarda la creazione di un quantum internet. Questa nuova rete, basata sulla crittografia quantistica che sfrutta i principi della meccanica quantistica per migliorare la sicurezza, promette di garantire un elevato livello di sicurezza nelle comunicazioni online, sfruttando il principio dell'entanglement quantistico. La Quantum Key Distribution (QKD), inoltre, permette lo scambio di chiavi crittografiche sicure tramite entanglement quantistico e rappresenta la base di questa nuova infrastruttura.
Eppure, nonostante le potenzialità, il quantum computing deve ancora superare importanti sfide. La decoerenza quantistica, come abbiamo visto in precedenza, è una delle principali difficoltà. Inoltre, la costruzione di computer quantistici scalabili, in grado di gestire grandi numeri di qubit senza errori, rimane una delle sfide tecniche più complesse. La ricerca continua a un ritmo molto sostenuto, vedremo dove ci porterà.
Infine, occorre considerare che come tutte le innovazioni, la transizione verso il quantum computing richiederà un significativo cambiamento nell'infrastruttura tecnologica, nella formazione delle risorse umane e nella gestione delle politiche governative e aziendali.
Tutte cose che avranno un impatto profondo sulla nostra società.
Alessandro Rugolo
per approfondire:
- https://ilbolive.unipd.it/it/news/ioni-intrappolati-futuro-computer-quantistico
- https://www.ibm.com/thought-leadership/institute-business-value/en-us/report/quantum-decade
- https://www.rigetti.com/
- https://scitechdaily.com/google-quantum-ai-reveals-bound-states-of-photons-hold-strong-even-in-the-midst-of-chaos/
- https://oggiscienza.it/2017/06/05/materiale-miracoloso-spintronica-come-cambieranno-smartphone-pc/index.html
- https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/graphene-stacking-discovery-could-herald-new-era-for-quantum-tech-394192
- https://www.dwavesys.com/resources/white-paper/the-d-wave-advantage-system-an-overview/
- https://bizzit.it/approfondimenti/algoritmo-di-shor-e-crittografia-quantistica/