Un semplice viaggio nell’informatica quantistica. Per comprendere meglio una tecnologia che potrebbe rivoluzionare il mondo
L’informatica quantistica è una tecnologia in rapida ascesa che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per risolvere problemi complessi per i computer classici. Queste macchine sono molto diverse dai computer classici che esistono da oltre mezzo secolo. Ecco un’introduzione a questa tecnologia trasformativa.
L’informatica quantistica utilizza particelle subatomiche, come elettroni o fotoni. I bit quantistici, o qubit, consentono a queste particelle di esistere in più di uno stato (cioè 1 e 0) allo stesso tempo. In teoria, i qubit collegati possono “sfruttare l’interferenza tra i loro stati quantistici ondulatori per eseguire calcoli che altrimenti richiederebbero milioni di anni”.
Oggi i computer classici utilizzano un flusso di impulsi elettrici (1 e 0) in modo binario per codificare le informazioni in bit. Questo limita la loro capacità di elaborazione rispetto all’informatica quantistica.
In questo articolo andremo ad analizzare i seguenti punti
LImitazioni dei supercomputer classici
Usi e benefici del calcolo quantistico. Un mondo di applicazioni
Caratteristiche dell’informatica quantistica
Limitazioni del calcolo quantistico
Software quantistico
sicurezza e la crittografia quantistica
Computer quantistici vs. computer classici
Computer quantistici in fase di sviluppo
Quanto è difficile costruire un computer quantistico?
Quanto è veloce un computer quantistico?
Limitazioni dei supercomputer
Per alcuni problemi, i supercomputer non sono poi così super. Quando scienziati e ingegneri trovano problemi altamenti complessi, si rivolgono ai supercomputer. Si tratta di computer classici molto grandi, spesso dotati di migliaia di core di CPU e GPU. Tuttavia, anche i supercomputer faticano a risolvere alcuni tipi di problemi.
Se un supercomputer si blocca, probabilmente è perché gli è stato chiesto di risolvere un problema con un alto grado di complessità. I problemi complessi sono problemi con molte variabili che interagiscono in modi complicati. Modellare il comportamento dei singoli atomi in una molecola è un problema complesso, a causa di tutti i diversi elettroni che interagiscono tra loro. Anche stabilire le rotte ideali per alcune centinaia di petroliere in una rete di navigazione globale è complesso.
L’informatica quantistica ha la capacità di vagliare un numero enorme di possibilità e di estrarre potenziali soluzioni a problemi e sfide complesse. Mentre i computer classici memorizzano le informazioni sotto forma di bit con 0 o 1, i computer quantistici utilizzano i qubit. I qubit trasportano le informazioni in uno stato quantistico che impegna 0 e 1 in modo multidimensionale.
Differenze tra bit e qubit (fonte Microsoft)
Questo enorme potenziale di calcolo e le dimensioni del mercato previste per il suo utilizzo hanno attirato l’attenzione di alcune delle aziende più importanti. Tra queste, IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen e Amgen.
Usi e benefici del calcolo quantistico. Un mondo di applicazioni
L’informatica quantistica potrebbe contribuire enormemente ai settori della sicurezza, della finanza, degli affari militari e dell’intelligence, della progettazione e della scoperta di farmaci, della progettazione aerospaziale, dei servizi di pubblica utilità (fusione nucleare), della progettazione di polimeri, dell’apprendimento automatico, dell’intelligenza artificiale (IA), della ricerca di Big Data e della fabbricazione digitale.
I computer quantistici potrebbero essere utilizzati per migliorare la condivisione sicura delle informazioni. Oppure per migliorare i radar e la loro capacità di rilevare missili e aerei. Un’altra area in cui si prevede che l’informatica quantistica sarà utile è l‘ambiente e il mantenimento dell’acqua pulita con sensori chimici.
Ecco alcuni potenziali vantaggi dell’informatica quantistica: Le istituzioni finanziarie potrebbero utilizzare l’informatica quantistica per progettare portafogli di investimento più efficaci ed efficienti per i clienti retail e istituzionali. Potrebbero concentrarsi sulla creazione di migliori simulatori di trading e migliorare l’individuazione delle frodi.
Il settore sanitario potrebbe utilizzare l’informatica quantistica per sviluppare nuovi farmaci e cure mediche geneticamente mirate. Potrebbe anche alimentare una ricerca più avanzata sul DNA.
Per una maggiore sicurezza online, l’informatica quantistica può aiutare a progettare una migliore crittografia dei dati e modi per utilizzare i segnali luminosi per rilevare gli intrusi nel sistema.
L’informatica quantistica può essere utilizzata per progettare sistemi di pianificazione del traffico e degli aerei più efficienti e sicuri.
Caratteristiche dell’informatica quantistica
La superposizione e l’entanglement sono due caratteristiche della fisica quantistica su cui si basa questa nuova scienza. Esse consentono ai computer quantistici di eseguire operazioni a velocità esponenzialmente superiori a quelle dei computer convenzionali e con un consumo energetico molto inferiore.
Superposizione
Secondo IBM, l’aspetto più rilevante è quello che un qubit può fare piuttosto che quello che è. Un qubit pone l’informazione quantistica che contiene in uno stato di sovrapposizione. Si tratta di una combinazione di tutte le possibili configurazioni del qubit. “Gruppi di qubit in superposizione possono creare spazi computazionali complessi e multidimensionali. I problemi complessi possono essere rappresentati in modi nuovi in questi spazi”.
Entanglement
L’entanglement è parte integrante della potenza di calcolo quantistico. È possibile far sì che coppie di qubit diventino entangled. Ciò significa che i due qubit esistono in un unico stato. In questo stato, la modifica di un qubit influisce direttamente sull’altro in modo prevedibile.
Gli algoritmi quantistici sono progettati per sfruttare questa relazione per risolvere problemi complessi. Mentre il raddoppio del numero di bit in un computer classico raddoppia la sua potenza di elaborazione, l’aggiunta di qubit comporta un aumento esponenziale della potenza e della capacità di calcolo.
Immagine di Microsoft
Decoerenza
La decoerenza si verifica quando il comportamento quantistico dei qubit decade. Lo stato quantico può essere disturbato istantaneamente da vibrazioni o variazioni di temperatura. Questo può causare la caduta dei qubit dalla sovrapposizione e la comparsa di errori nel calcolo. È importante che i qubit siano protetti da queste interferenze, ad esempio con frigoriferi superraffreddati, isolanti e camere a vuoto.
Limitazioni del calcolo quantistico
Il calcolo quantistico offre un enorme potenziale per lo sviluppo e la risoluzione di problemi in molti settori. Tuttavia, attualmente presenta dei limiti. La decoerenza, o decadimento, può essere causata dal minimo disturbo nell’ambiente del qubit. Ciò comporta il collasso delle computazioni o l’insorgere di errori. Come già detto, un computer quantistico deve essere protetto da qualsiasi interferenza esterna durante la fase di calcolo.
La correzione degli errori durante la fase di calcolo non è stata perfezionata. Questo rende i calcoli potenzialmente inaffidabili. Poiché i qubit non sono bit di dati digitali, non possono beneficiare delle soluzioni convenzionali di correzione degli errori utilizzate dai computer classici.
Il recupero dei risultati dei calcoli può corrompere i dati. Sviluppi come un particolare algoritmo di ricerca di database che garantisce che l’atto della misurazione faccia decadere lo stato quantistico nella risposta corretta sono promettenti.
Software quantistico
Il software implementa algoritmi quantistici unici utilizzando circuiti quantistici. Un circuito quantistico è una routine di calcolo che definisce una serie di operazioni logiche quantistiche sui qubit sottostanti. Gli sviluppatori possono utilizzare vari strumenti di sviluppo software e librerie per codificare gli algoritmi.
Sicurezza e la crittografia quantistica
La mancanza di qubit impedisce ai computer quantistici di essere all’altezza del loro potenziale di utilizzo.
La crittografia classica – come l’algoritmo Rivest-Shamir-Adleman (RSA), ampiamente utilizzato per proteggere la trasmissione dei dati – si basa sulla fattorizzazione dei numeri interi o i logaritmi discreti. Molti di questi problemi possono essere risolti in modo più efficiente utilizzando i computer quantistici.
Questo naturalmente comporta che dovranno essere sviluppati sistemi di crittografia “quantum resistant” Secondo il leader mondiale dell’energia Iberdola, “i computer quantistici devono avere una pressione atmosferica quasi nulla, una temperatura ambiente vicina allo zero assoluto (-273°C) e un isolamento dal campo magnetico terrestre per evitare che gli atomi si muovano, si scontrino tra loro o interagiscano con l’ambiente. Inoltre, questi sistemi funzionano solo per intervalli di tempo molto brevi, per cui le informazioni si danneggiano e non possono essere conservate, rendendo ancora più difficile il recupero dei dati”.
Va da se che al momento la stabilità del sistema quantistico è un problema tutto da risolvere.
Computer quantistici vs. computer classici
I computer quantistici hanno una struttura più elementare rispetto ai computer classici. Non hanno memoria né processore. Un computer quantistico utilizza solo una serie di qubit . I computer quantistici e i computer classici elaborano le informazioni in modo diverso.
Un computer quantistico utilizza i qubit per eseguire algoritmi quantistici multidimensionali. La loro potenza di elaborazione aumenta esponenzialmente con l’aggiunta di qubit. Un processore classico utilizza i bit per eseguire vari programmi. La loro potenza aumenta linearmente con l’aggiunta di altri bit. I computer classici hanno una potenza di calcolo molto inferiore.
I computer classici sono i migliori per le attività quotidiane e hanno un basso tasso di errore. I computer quantistici sono ideali per compiti di livello superiore, come ad esempio l’esecuzione di simulazioni, l’analisi di dati (ad esempio per studi chimici o farmacologici) ma possono avere tassi di errore elevati.
I computer classici non hanno bisogno di cure particolari. Possono utilizzare una ventola interna di base per evitare il surriscaldamento. I processori quantistici devono essere protetti dalle minime vibrazioni e devono essere mantenuti estremamente freddi. A questo scopo si devono utilizzare superfluidi super raffreddati. I computer quantistici sono più costosi e difficili da costruire rispetto ai computer classici.
Computer quantistici in fase di sviluppo
Google sta spendendo miliardi di dollari per costruire il suo computer quantistico entro il 2029.
Per raggiungere questo obiettivo, l’azienda ha aperto un campus in California chiamato Google AI. Una volta sviluppato, Google potrebbe lanciare un servizio di calcolo quantistico via cloud.
Il processore Sycomore realizzato da Google
IBM
IBM prevede di realizzare un computer quantistico da 1.000 qubit entro il 2023. Per ora, IBM consente l’accesso alle sue macchine alle organizzazioni di ricerca, alle università e ai laboratori che fanno parte della sua Rete Quantistica.
Microsoft
Oggi è a disposizione di centinaia di migliaia di sviluppatori un vero hardware quantistico, uno strumento che gli scienziati hanno iniziato a immaginare solo tre decenni fa. Microsoft offre alle aziende l’accesso alla tecnologia quantistica attraverso la piattaforma Azure Quantum.
Altri
Le aziende di servizi finanziari come JPMorgan Chase e Visa sono interessate all’informatica quantistica e alla sua tecnologia.
Quanto è difficile costruire un computer quantistico?
La costruzione di un computer quantistico richiede molto tempo ed è molto costosa. Google lavora da anni alla costruzione di un computer quantistico e ha speso miliardi di dollari in ricerca e sviluppo.
Prevede di avere il suo computer quantistico pronto per il 2029. La Shenzhen SpinQ Technology, con sede in Cina, intende vendere ai consumatori un computer quantistico desktop da 5.000 dollari per scuole e università.
Quanto è veloce un computer quantistico?
Un computer quantistico è molto più veloce di un computer classico o di un supercomputer. Si dice che il computer quantistico di Google in fase di sviluppo, Sycamore, abbia eseguito un calcolo in 200 secondi, rispetto ai 10.000 anni che uno dei computer più veloci del mondo, Summit di IBM, impiegherebbe per risolverlo.
IBM ha contestato l’affermazione di Google, affermando che il suo supercomputer potrebbe risolvere il calcolo in 2,5 giorni. Anche in questo caso, si tratta di un tempo 1.000 volte inferiore a quello della macchina quantistica di Google.
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