Computer Quantistici: un po’ tutti li abbiamo sentiti nominare, ma cosa sono effettivamente e come funzionano? Il nome è sicuramente “ad effetto” e fa subito immaginare qualcosa di quasi fantascientifico, ma questi computer sono davvero ancora solamente “fantascienza”? Nel concreto, come potremmo utilizzare questi strumenti che sfruttano le leggi della meccanica quantistica?

Le domande sono numerose, ma le previsioni sul futuro sono chiare (o quasi) e in questo articolo proverò a   illustrare le principali caratteristiche di questa tecnologia che si prospetta rivoluzionaria, una di quelle che potrebbero far compiere all’uomo un grande passo avanti.

Cosa sono i Computer Quantistici e come funzionano?

Prima di tutto, bisogna precisare che i computer quantistici esistono già, anche se sono ancora in una fase embrionale, ma stanno sempre più aumentando la propria potenza di calcolo. Questa tecnologia è tuttavia ancora “fuori commercio” ed è utilizzata solamente in laboratori e centri di ricerca. Detto questo, iniziamo…

 

La meccanica quantistica, con i principi fisici alla base del suo funzionamento, potrebbe sembrare eccessivamente complicata ed in effetti lo è. Si può comunque fornire una spiegazione approssimativa che consente di intuirne il “meccanismo”. 

 

I computer quantistici sfruttano le proprietà offerte dalle leggi della fisica e della meccanica quantistica, disciplina su cui si basa lo studio delle particelle subatomiche. Infatti, sfruttando i qubit (bit quantistico, l’unità di informazione quantistica), riescono a servirsi dei principi del calcolo quantistico per svolgere calcoli in maniera proporzionalmente molto più rapida rispetto ai sistemi tradizionali (computer e supercomputer). Infatti, questo consente di svolgere simulazioni più complesse e “profonde”, per risolvere problemi logici che non sono alla portata nemmeno dei più potenti supercomputer attuali.

 

Il  quantum computing  si basa su concetti le cui cause sono ancora ignote, ma empiricamente siamo riusciti a rilevare cause ed effetti, e quindi a sfruttarli a nostro favore. La differenza sostanziale tra informatica classica ed informatica quantistica è che quest’ultima sfrutta le proprietà del qubit (che può essere sia 0 che 1 contemporaneamente e in diverse proporzioni piuttosto che 0 oppure 1) e il sistema binario alla base dei computer attuali (che come componente fondamentale hanno il famosissimo transistor). La sovrapposizione di questi due stati permette quindi a pochi qubit di eseguire miliardi di operazioni di calcolo al secondo. 

Gli aspetti fondamentali del quantum computing sono tre e l’utilizzo combinato di questi principi determina le condizioni per cui i qubit possono imporre la propria supremazia rispetto allo stesso numero di bit binari:

 

• Principio di sovrapposizione quantistica: secondo la fisica quantistica, una particella può anche avere uno stato di sovrapposizione, dove assume entrambi gli stati di spin dell’elettrone (in ottica informatica sia 0 che 1 e tutte le possibili combinazioni). Il computer quantistico può quindi analizzare in contemporanea una enorme quantità di informazioni. 

 

• Entanglement (o correlazione quantistica): un elaboratore può generare coppie di qubit tra loro correlate in un singolo stato quantistico. Al variare dell’uno, ci si attende una variazione del qubit correlato (fino a quando il sistema è perfettamente isolato). Grazie all’entanglement, l’aggiunta di qubit genera un aumento esponenziale della capacità computazionale di un computer quantistico. 

 

• Decoerenza quantistica: il principale effetto collaterale dei due principi elencati in precedenza è dato dall’estrema fragilità del qubit. La più minuscola vibrazione o variazione della temperatura del sistema causa infatti la perdita della sovrapposizione, vanificando qualsiasi risultato di calcolo prodotto dai qubit interessati. 

 

Quindi, riassumendo, il computer quantistico segue a tutti gli effetti le leggi della fisica quantistica, sfruttando i qubit per eseguire in parallelo calcoli estremamente complessi ad una velocità che un computer tradizionale, nelle medesime condizioni, non potrebbe mai pareggiare. Per quanto riguarda i livelli di ordine di grandezza, si tratta di operazioni che, utilizzando i migliori super computer attuali, richiederebbero anni di calcolo, ma che invece potranno essere risolte da un computer quantistico in pochi secondi. Ciò che “a parole” potrebbe apparire banale per la sua semplicità è al contrario incredibilmente complesso dal punto di vista fisico e meccanico.

In Teoria è “Semplice” in Pratica No.

Infatti, se a livello teorico “va tutto liscio”, a livello pratico, e quindi ingegneristico, ci sono non pochi problemi. Tra questi, quello principale è legato alla necessità di evitare la decoerenza quantistica. Infatti, per garantire la stabilità delle particelle dei computer quantistici, sono necessarie delle condizioni di esercizio prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius). Inoltre, è necessario annullare il “rumore” (ossia anche le più minuscole variazioni di temperatura e vibrazioni) che potrebbe far cadere le particelle fuori dallo stato di sovrapposizione prima di aver concluso il loro lavoro computazionale.

Le Applicazioni dei Computer Quantistici

Ora che abbiamo capito che questi computer sono, in teoria, e si presume che presto lo saranno anche nella pratica, “infinitamente” più potenti dei classici computer e super computer, bisogna capire per cosa potremmo sfruttarli. I campi di applicazione potrebbero essere diversi. Oltre al rivoluzionario ruolo che potrebbero avere nella crittografia, una visione globale delle possibili applicazioni del calcolo quantistico è stata siglata da Gartner con l’eccellente “The CIO’s guide to Quantum Computing”, pubblicata nel 2019, per introdurre gli innovatori aziendali al “potere dirompente del quantum computing e delle potenziali applicazioni nell’intelligenza artificiale, nel machine learning e nella data science”. Secondo le analisi di Gartner, il quantum computing potrebbe contribuire a rivoluzionare i seguenti settori:

 

• Machine learning e Intelligenza artificiale: è un campo in rapida crescita che sta rivoluzionando il modo in cui le applicazioni di apprendimento automatico vengono utilizzate per fare previsioni più veloci ed efficienti. L’intelligenza artificiale è un altro campo che sta beneficiando dell’incremento della velocità di calcolo, poiché questo potrebbe migliorare la percezione, la comprensione e la diagnosi dei guasti ai classificatori binari.

 

• Chimica e Biochimica: la chimica si avvale di questa tecnologia per sviluppare nuovi fertilizzanti, catalizzatori e prodotti per le batterie, che sono in grado di ottimizzare l’impiego delle risorse e migliorare l’efficienza dei processi produttivi. D’altra parte, la biochimica sta assistendo ad un grande aumento dell’utilizzo di tecnologie avanzate, grazie alle quali è possibile sviluppare nuovi farmaci, prodotti per la medicina personalizzata e perfino nuovi prodotti tricologici. In entrambe le aree, l’impiego delle tecnologie avanzate rappresenta un’opportunità per fare progressi significativi nella ricerca scientifica e per migliorare la qualità della vita delle persone.

 

• Finanza: è un’altra area in cui l’uso del calcolo quantistico potrebbe portare a grandi vantaggi, come nell’impiego delle simulazioni “Monte Carlo” in maniera più rapida e completa rispetto a quanto fatto finora. Inoltre, nel trading sarebbe possibile analizzare meglio l’ottimizzazione delle traiettorie, l’instabilità del mercato e l’ottimizzazione dei prezzi e delle strategie di copertura.

 

• Medicina e Salute: sono due aree in cui la velocità di calcolo potrebbe fare la differenza, come nel caso del sequenziamento dei geni del DNA, nell’ottimizzazione dei trattamenti con radioterapia o nella diagnostica dei tumori cerebrali, che potrebbero essere effettuati nel giro di pochi secondi, anziché nell’arco di settimane, come avviene tuttora.

 

• Materiali: si sta avendo un grande aumento dell’utilizzo del calcolo quantistico, poiché questo può essere utilizzato per accelerare la ricerca di materiali super resistenti, vernici anticorrosive, lubrificanti e semiconduttori. 

 

Concludendo e tirando le fila di questa breve descrizione del quantum computing, si può predire che presto potremo assistere ad una grandiosa rivoluzione in ambito informatico che potrà migliorare in maniera significativa le nostre vite, toccando moltissimi settori importanti per il benessere e l’ambiente (ma non solo). Tutto ciò, tuttavia, non prima di aver superato non semplici sfide ingegneristiche che permettano di sfruttare appieno il potenziale di questa promettente tecnologia, raggiungendo così la “supremazia quantistica”. Le sfide non sono poche, ma in quanto esseri umani siamo bravi a progredire e a superare le avversità, specialmente in campo scientifico… è quindi solo questione di tempo!

 

Davide R., 5H