Il quantum computing è un’innovativa tecnologia che si basa sulle leggi della meccanica quantistica. Grazie a questo nuovo approccio, negli ultimi anni sono stati sviluppati i primi computer quantistici che permettono di rappresentare le informazioni non attraverso i comuni bit (0 e 1), ma tramite i qubit o quantum bit.
I quantum bit sono molto più complessi e sfruttano proprietà specifiche della fisica quantistica quali l’entanglement, la sovrapposizione di stati e l’interferenza quantistica.
Il beneficio principale che deriva dai computer quantistici è che sono potenzialmente in grado di risolvere alcune categorie di problemi molto difficili. D’altro canto, però, necessitano di risorse economiche e temporali eccessive.
Oggi il quantum computing sta compiendo dei passi da gigante, ma è ancora lontano da una piena affermazione. In ogni caso la ricerca è attiva grazie al sostegno di importanti investitori pubblici e privati che intravedono delle prospettive interessanti per tecnologie così avveniristiche.
Andiamo allora a capire meglio in cosa consiste il quantum computing, come funziona e quali sono le prospettive per il futuro.
Le origini del quantum computing
Il quantum computing, o calcolo quantistico, è una particolare tecnologia molto avanzata che si fonda sulle leggi della meccanica quantistica, un ramo della fisica che analizza le particelle più piccole del mondo fisico.
Le prime nozioni di calcolo quantistico risalgono al 1935, con la collaborazione tra Einstein ed i fisici Rosen e Podoldky, ma bisognerà attendere fino agli anni Ottanta per la svolta definitiva. Infatti, la prima computazione quantistica vera e propria è opera del fisico Paul Benioff che elabora il primo modello quantistico della macchina di Turing nel 1981.
Successivamente gli scienziati Jurij Manin e Richard Feynman hanno ipotizzato che le proprietà della meccanica quantistica potessero essere applicate per elaborare in modo differente le informazioni rispetto ai paradigmi comuni.
Negli anni Novanta, invece, vengono proposti i primi algoritmi di calcolo quantistico, grazie soprattutto a Peter Shor che nel 1994 pubblica l’omonimo algoritmo per la fattorizzazione degli interi in tempo polinomiale.
Tale algoritmo ha rivoluzionato il settore del quantum computing poiché un noto sistema di crittografia asimmetrica come l’RSA si basa sull’ipotesi che la fattorizzazione degli interi sia complessa dal punto di vista computazionale.
La creazione dell’algoritmo di Shor poteva quindi dimostrare che uno dei protocolli di crittografia più utilizzati al mondo era teoricamente vulnerabile ad un computer quantistico.
A partire dagli anni Duemila la ricerca è andata avanti e nel 2012 viene lanciato Vesuvius, il primo computer quantistico commerciale, dotato di 64 registri da 9 qubit. La macchina è stata poi acquistata dalla Nasa in collaborazione con Google.
Nel 2019 proprio Google annuncia ufficialmente che un computer quantistico ha eseguito un calcolo da 10.000 anni in appena 200 secondi. Nello stesso anno IBM mette a punto il primo modello quantistico, chiamato IBM Q System One, il quale poteva essere usato da remoto.
Come funzionano i computer quantistici?
Con il quantum computing le leggi della fisica tradizionale non sono più applicabili. In questo caso non si parla di classici bit con valori di 1 e 0, ma si passa ai bit quantici, o qubit.
I qubit agiscono in maniera diversa dai bit normali in quanto ogni qubit può essere al contempo uno 0 e un 1.
L’abilità di rappresentare simultaneamente due valori è il quid in più di cui dispone la tecnologia quantistica: ovvero è possibile effettuare calcoli analizzando in parallelo più opzioni contemporaneamente, piuttosto che tentare una per volta le differenti alternative.
Ciò permette ai computer quantistici di elaborare i dati più velocemente e in modo più sofisticato per risolvere problemi complessi che non possono essere risolti dai computer tradizionali.
I processori di queste macchine consentono di archiviare e manipolare una mole enorme di dati impiegando molta meno energia.
Negli ultimi 30 anni le società informatiche hanno lavorato per realizzare fisicamente i qubit e tra gli strumenti di cui hanno dovuto dotarsi ci sono dei potenti frigoriferi, capaci di assicurare le proprietà necessarie per innescare gli stati quantici.
Tali frigoriferi riescono a mantenere la temperatura di pochissimi millesimi di grado Kelvin sopra lo zero assoluto. La composizione fisica dei qubit è dunque un processo molto articolato e lo stesso vale per la coerenza del loro stato.
Dagli anni Novanta si è lavorato per correggere gli errori quantistici che spesso si moltiplicano con l’aumentare del numero di qubit collegati tra loro in un quantum computer. Tradotto in parole semplici, più qubit si desidera avere, tanto più difficile sarà la correzione di un errore.
Quando si parla poi di computer quantistici bisogna fare riferimento ad un dato come il quantum volume, cioè la capacità di calcolo di una macchina del genere, il cui valore si ottiene combinando il numero di qubit con il numero massimo di passi che un computer può eseguire senza perdere coerenza o affidabilità di calcolo.
Ad oggi il numero di qubit di cui dispongono questi computer è ancora modesto e non basta per soddisfare scopi pratici.
Nonostante ciò, si stanno affermando degli standard molto utili per la manipolazione dei qubit. Un esempio è OpenQASM, un linguaggio assembly specifico per quantum computing lanciato da IBM che si sta velocemente imponendo nel settore.
Quali saranno le possibili applicazioni del quantum computing?
Appare evidente come i computer quantistici siano ancora in fase di sviluppo e costruzione, grazie al contributo dei principali colossi dell’informatica. Quelli esistenti attualmente sono per lo più prototipi o modelli disponibili in pochi pezzi, decisamente molto costosi.
La tecnologia però esiste e funziona: serve soltanto qualche anno per ottenere risultati più affidabili e poter così produrre macchine su larga scala con un numero maggiore di qubit.
Secondo una parte degli scienziati ci vorranno ancora almeno 10 anni prima di avere un vero quantum computer per uso quotidiano. Invece secondo Russ Juskalian del MIT Technology Review il calcolo quantistico diventerà un fatto pratico in soli 4 o 5 anni.
Fino ad oggi i principali campi di utilizzo del quantum computing sono principalmente: algebra lineare quantistica per Machine Learning e AI, simulazione quantistica, fattorizzazione e ottimizzazione quantistica.
Per quanto riguarda poi i futuri settori di impiego dei computer quantistici, il tutto è ancora ipotetico e fumoso.
Nell’industria farmaceutica il calcolo quantistico potrebbe cambiare la ricerca sulle strutture molecolari. Infatti, ci sono farmaci che impiegano più di 10 anni per arrivare sul mercato e con l’informatica quantistica il percorso potrebbe abbreviarsi.
Nel settore chimico il quantum computing potrà essere impiegato per migliorare i catalizzatori e renderli in grado di assicurare un maggiore risparmio di energia che potrebbe attestarsi intorno al 5-10%.
Anche l’ambito automotive può trarre dei vantaggi da questo tipo di tecnologia, specialmente per la progettazione, la produzione, la supply chain e la gestione del traffico. Molto più difficile prevedere i benefici nel campo della finanza, dove le possibili applicazioni potrebbero riguardare la gestione del portafoglio e del rischio.
Ricerca e investimenti nel mondo del quantum computing
Nel 2019 Google e la Nasa hanno annunciato al mondo di essere arrivati alla cosiddetta “quantum supremacy”, cioè la soluzione di un problema particolarmente complesso da parte di un computer quantistico più rapidamente rispetto ad un supercomputer tradizionale.
Da allora si è assistito ad un crescente aumento degli investimenti economici pubblici e privati in questo campo. Solo nel 2021 le startup coinvolte nel quantum computing hanno incassato 1,7 miliardi di investimenti privati, il doppio rispetto all’anno precedente.
È un chiaro segnale che il mercato è in costante ascesa e punta ad uno sviluppo tecnologico con prospettive future molto ottimistiche.
Ormai quasi tutte le aziende high-tech investono annualmente nel calcolo computazionale, insieme a startup di rilievo come D-Wave e Rigetti. La stessa Google ha prodotto il processore Bristlecone a 72 qubit, mentre Microsoft che si è affidata ad un approccio più controcorrente, fondato sui fermioni di Majorana.
Inoltre, i più importanti fondi di investimento americani quali Google Ventures, Founders Fund e Andresseen-Horowitz possiedono almeno una società collegata al settore, al pari delle grandi banche come Goldman Sachs.
Al contempo, sono molti i governi nazionali che stanno finanziando progetti di ricerca sul quantum computing, intravedendone le potenzialità a lungo termine.
Cina e Stati Uniti sono già in prima fila con programmi da miliardi di dollari e la stessa l’Unione Europea ha varato il Quantum Flagship Programme dal valore di 1 miliardo di euro.
Il fenomeno di certo si espanderà negli anni e sarà necessario investire massicciamente non solo nella ricerca, ma anche nella formazione di chi dovrà poi programmare le macchine quantistiche.