Cos'è l'informatica quantistica? La prossima era dell'evoluzione computazionale, spiegata

Quando ti imbatti per la prima volta nel termine “computer quantistico”, potresti farlo passare per un concetto di fantascienza piuttosto che per una notizia seria e attuale.

Ma con la frase che viene lanciata con crescente frequenza, è comprensibile chiedersi esattamente cosa siano i computer quantistici, ed è altrettanto comprensibile non sapere dove immergersi. Ecco una panoramica su cosa sono i computer quantistici, perché c'è così tanto fermento intorno a loro e cosa potrebbero significare per te.

Cos’è l’informatica quantistica e come funziona?

Tutti i calcoli si basano su bit, la più piccola unità di informazione codificata come stato “on” o “off”, più comunemente indicato come 1 o 0, in qualche supporto fisico o in un altro.

Nella maggior parte dei casi, un bit assume la forma fisica di un segnale elettrico che viaggia sui circuiti della scheda madre del computer. Mettendo insieme più bit, possiamo rappresentare cose più complesse e utili come testo, musica e altro.

Le due differenze fondamentali tra i bit quantistici e i bit “classici” (dei computer che usiamo oggi) sono la forma fisica che assumono i bit e, di conseguenza, la natura dei dati in essi codificati. I bit elettrici di un computer classico possono esistere solo in uno stato alla volta, 1 o 0.

Bit quantistici (o “qubit”) sono costituiti da particelle subatomiche, vale a dire singoli fotoni o elettroni. Poiché queste particelle subatomiche si conformano più alle regole della meccanica quantistica che alla meccanica classica, esibiscono le bizzarre proprietà delle particelle quantistiche. La più importante di queste proprietà per gli informatici è la sovrapposizione. Questa è l'idea che una particella può esistere in più stati contemporaneamente, almeno finché quello stato non viene misurato e collassa in un unico stato. Sfruttando questa proprietà di sovrapposizione, gli informatici possono farlo fare in modo che i qubit codifichino un 1 e uno 0 allo stesso tempo.

L’altro capriccio della meccanica quantistica che fa funzionare i computer quantistici è l’entanglement, un collegamento di due particelle quantistiche o, in questo caso, due qubit. Quando le due particelle sono intrecciate, il cambiamento di stato di una particella altererà lo stato della sua compagna in a modo prevedibile, il che torna utile quando arriva il momento di far calcolare a un computer quantistico la risposta al problema gli dai da mangiare.

I qubit di un computer quantistico iniziano nel loro stato ibrido 1 e 0 quando il computer inizia inizialmente a risolvere un problema. Quando viene trovata la soluzione, i qubit in sovrapposizione collassano nell'orientamento corretto degli 1 e degli 0 stabili per restituire la soluzione.

Qual è il vantaggio del calcolo quantistico?

A parte il fatto che sono ben oltre la portata di tutti tranne che dei gruppi di ricerca più elitari (e probabilmente rimarranno tali per un po’), la maggior parte di noi non ha molta utilità per i computer quantistici. Non offrono alcun vantaggio reale rispetto ai computer classici per il tipo di attività che svolgiamo la maggior parte del tempo.

Tuttavia, anche i supercomputer classici più formidabili hanno difficoltà a risolvere alcuni problemi a causa della loro intrinseca complessità computazionale. Questo perché alcuni calcoli possono essere eseguiti solo con la forza bruta, tirando a indovinare finché non si trova la risposta. Alla fine si ritrovano con così tante soluzioni possibili che ci vorrebbero migliaia di anni prima che tutti i supercomputer del mondo messi insieme trovino quella corretta.

La proprietà di sovrapposizione esibita dai qubit può consentire ai supercomputer di ridurre drasticamente questo tempo di ipotesi. I laboriosi calcoli per tentativi ed errori dell’informatica classica possono fare solo un’ipotesi alla volta, mentre il doppio stato 1 e 0 dei qubit di un computer quantistico gli consente di fare più ipotesi contemporaneamente tempo.

Quindi, che tipo di problemi richiedono tutti questi calcoli congetture che richiedono tempo? Un esempio è la simulazione delle strutture atomiche, soprattutto quando interagiscono chimicamente con quelle di altri atomi. Con un computer quantistico che alimenta la modellazione atomica, i ricercatori nel campo della scienza dei materiali potrebbero creare nuovi composti da utilizzare nell’ingegneria e nella produzione. I computer quantistici sono particolarmente adatti a simulare sistemi altrettanto complessi come le forze del mercato economico, le dinamiche astrofisiche o i modelli di mutazione genetica negli organismi, solo per citarne alcuni.

Tra tutte queste applicazioni generalmente inoffensive di questa tecnologia emergente, però, ci sono anche alcuni usi dei computer quantistici che sollevano serie preoccupazioni. Il danno di gran lunga più frequentemente citato è il potenziale danno dei computer quantistici rompere alcuni degli algoritmi di crittografia più potenti attualmente in uso.

Nelle mani di un governo avversario aggressivo, i computer quantistici potrebbero compromettere un’ampia fascia di tecnologie di traffico Internet altrimenti sicuro, lasciando le comunicazioni sensibili suscettibili di diffusione sorveglianza. Attualmente si sta lavorando per far maturare i codici di crittografia basati su calcoli ancora difficili Anche i computer quantistici possono farlo, ma non sono tutti pronti per il debutto o ampiamente adottati al momento.

È possibile l’informatica quantistica?

Poco più di un decennio fa, la fabbricazione vera e propria dei computer quantistici era appena nelle sue fasi iniziali. A partire dagli anni 2010, tuttavia, è decollato lo sviluppo di prototipi di computer quantistici funzionanti. Numerose aziende hanno assemblato computer quantistici funzionanti a partire da alcuni anni fa, e IBM è arrivata al punto di consentire a ricercatori e hobbisti di eseguire i propri programmi su di esso tramite il cloud.

Nonostante i passi avanti che aziende come IBM hanno indubbiamente fatto per costruire prototipi funzionanti, i computer quantistici sono ancora agli inizi. Attualmente, i computer quantistici che i team di ricerca hanno costruito finora richiedono notevoli spese generali per eseguire la correzione degli errori. Per ogni qubit che esegue effettivamente un calcolo, ce ne sono diverse dozzine il cui compito è compensare l’errore commesso. L’aggregato di tutti questi qubit costituisce quello che viene chiamato un “qubit logico”.

Per farla breve, i titani dell’industria e del mondo accademico sono riusciti a far funzionare i computer quantistici, ma lo fanno in modo molto inefficiente.

Chi ha un computer quantistico?

La forte concorrenza tra i ricercatori di computer quantistici è ancora in corso, tra grandi e piccoli attori. Tra coloro che dispongono di computer quantistici funzionanti ci sono le aziende tecnologiche tradizionalmente dominanti che ci si aspetterebbe: IBM, Intel, Microsoft e Google.

Per quanto impegnativa e costosa sia un’impresa come la creazione di un computer quantistico, c’è un numero sorprendente di aziende più piccole e persino startup che stanno accettando la sfida.

Il relativamente magro D-Wave Systems ha stimolato molti progressi nel campo e ha dimostrato che non era fuori discussione rispondendo all’importante annuncio di Google con la notizia di a grosso accordo con i Los Alamos National Labs. Tuttavia, anche concorrenti più piccoli come Rigetti Computing sono in lizza affermandosi come innovatori dell’informatica quantistica.

A seconda di chi chiedi, otterrai un diverso favorito per il computer quantistico “più potente”. Google ha sicuramente fatto il suo caso di recente con il suo raggiungimento della supremazia quantistica, una metrica più o meno ideata da Google stessa. La supremazia quantistica è il punto in cui un computer quantistico è per la prima volta in grado di sovraperformare un computer classico in alcuni calcoli. Il prototipo Sycamore di Google dotato di 54 qubit è stato in grado di rompere quella barriera risolvendo un problema appena sotto tre minuti e mezzo che impiegherebbero 10.000 anni al più potente supercomputer classico per produrlo Attraverso.

Per non essere da meno, D-Wave si vanta del fatto che i dispositivi che presto fornirà a Los Alamos pesano 5000 qubit ciascuno, anche se va notato che la qualità dei qubit di D-Wave è stata messa in discussione in precedenza. IBM non ha avuto lo stesso successo di Google e D-Wave negli ultimi due anni, ma non dovrebbero essere ancora esclusi, soprattutto considerando il loro percorso record di risultati lenti e costanti.

In parole povere, la corsa per il computer quantistico più potente del mondo è più aperta che mai.

L’informatica quantistica sostituirà l’informatica tradizionale?

La risposta breve a questa domanda è “non proprio”, almeno per il futuro a breve termine. I computer quantistici richiedono un immenso volume di apparecchiature e ambienti finemente sintonizzati per funzionare. L'architettura principale richiede un raffreddamento fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto, il che significa che non sono affatto pratici da possedere per i consumatori comuni.

Ma come ha dimostrato l’esplosione del cloud computing, non è necessario possedere un computer specializzato per sfruttare le sue capacità. Come accennato in precedenza, IBM offre già agli audaci tecnofili la possibilità di eseguire programmi su un piccolo sottoinsieme dei suoi Q I qubit di System One. Col tempo, IBM e i suoi concorrenti probabilmente venderanno tempo di calcolo su computer quantistici più robusti per coloro che sono interessati ad applicarli a problemi altrimenti imperscrutabili.

Ma se non stai effettuando ricerche sui tipi di problemi eccezionalmente complicati che i computer quantistici mirano a risolvere, probabilmente non interagirai molto con essi. In effetti, i computer quantistici in alcuni casi sono peggiori nel tipo di attività per le quali usiamo i computer ogni giorno, semplicemente perché i computer quantistici sono così iper-specializzati. A meno che tu non sia un accademico che esegue il tipo di modellazione in cui prospera il calcolo quantistico, probabilmente non ne metterai mai le mani su uno, e non ne avrai mai bisogno.

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