Computer quantistici: una rivoluzione veloce

Sfruttano le leggi della meccanica quantistica, si basano sui qubit e non sui bit e sono superveloci. Ma cosa sono, come funzionano e in che modo cambieranno la nostra vita?

​​Seconda rivoluzione quantistica, nuovo punto di rottura nel mondo dell’informatica, innovazione-svolta nel campo dell’intelligenza artificiale e della robotica. Parlando di informatica quantistica i titoli si sprecano. Il fenomeno è complesso, ma il suo sviluppo promette davvero di rappresentare la più grossa novità nel mondo digitale dopo l’arrivo di internet. Basato su nuovi computer capaci di risolvere velocemente problemi complessi, il quantum computing applica le leggi della fisica e della meccanica quantistica. Ma cos’è e come funziona questo nuovo computer?

«I computer quantistici o quantici sono calcolatori basati non più sul bit ma sul qubit», ha spiegato a Changes Augusto Smerzi, dirigente ricercatore INO-CNR. «Il bit tradizionale può assumere i valori 0 oppure 1 in una logica binaria, il qubit, invece, può avere i due valori contemporaneamente, grazie al fenomeno della sovrapposizione. Questa caratteristica permette di effettuare più calcoli e diverse operazioni in maniera parallela e con più velocità rispetto ai computer tradizionali».

I computer quantistici presentano una caratteristica unica e tipica della meccanica quantistica: l’entanglment, ovvero la correlazione quantistica, la sovrapposizione di più sistemi. A tal proposito Augusto Smerzi ci offre un esempio esplicativo: quella della monetina. «Nei computer tradizionali binari una moneta può essere o testa oppure croce, nei computer quantistici, invece, può assumere tutti i due stadi nello steso tempo. Con l’entanglment una volta manipolato uno stato, a differenza di quello che avviene nella meccanica classica, si manipolano simultaneamente i valori degli altri stati ed è questo il motivo della velocità con cui questi sistemi compiono le loro operazioni simultanee».

Il mondo dell’informatica è stato recentemente interessato da una disputa teorica e pratica tra due dei suoi più importanti protagonisti: Google e IBM. Su Nature il gigante di Mountain View ha infatti comunicato nell’ottobre scorso di aver raggiunto, con il suo computer quantistico Sycamore, la cosiddetta “supremazia quantistica”, ovvero la capacità di svolgere in 200 secondi operazioni complesse, risolvibili con i normali super computer in non meno di 10.000 di anni. La risposta di IBM non si è fatta attendere, con l’annuncio del lancio di un computer quantistico a 53 qubit, uno in meno dei 54 del Sycamore (che secondo gli esperti ne usa però solo 53). Una disputa in gran stile, dunque, una corsa all’ultimo qubit, per conquistare la nuova frontiera del quantum computing.

Dovremmo dunque presto mettere da parte i nostri personal computer e fare spazio a nuovi calcolatori? La risposta probabilmente è no, sia perché ancora viaggiamo su livelli teorici, sia perché le due modalità computazionali sono destinate a convivere. Il Direttore del Calcolo Quantistico di Amazon Web Services è un italiano, si chiama Simone Severini ed è docente di Fisica dell’Informazione all’University College London. «I computer quantistici rappresentano sicuramente una rivoluzione, ma ad oggi è ancora una rivoluzione soprattutto sul piano teorico» ha spiegato Severini a Changes. «Una volta costruiti grandi abbastanza, questi calcolatori nel futuro saranno in grado di fare calcoli in maniera più rapida dei computer tradizionali, ma saranno utili solo in alcuni casi, mentre per altri saranno ancora utilizzati i computer a cui siamo abituati oggi». Dunque i computer quantistici promettono dei vantaggi, ma li useremo complementarmente ai calcolatori tradizionali, per specifici problemi. Recentemente Amazon Web Services ha lanciato il suo Amazon Braket, un servizio che permette di usare il calcolo quantistico in un ambiente di sviluppo dove poter progettare algoritmi quantistici, testarli ed implementarli su computer quantistici simulati e reali. 

Ma quali sono gli ambiti specifici su cui questi calcolatori ultra rapidi possono rappresentare una svolta? Sicuramente il primo campo che viene in mente è quello dell’analisi dei big data, ma non solo. «Questi processori sono in grado di simulare in maniera efficiente la meccanica quantistica, quindi potranno essere applicati per effettuare ricerche in tutti i campi dove la meccanica quantistica ha un ruolo: dallo studio dei nuovi materiali, alla fisica fondamentale oppure alle simulazioni di reazioni chimiche utili per la farmaceutica, per costruire nuove batterie, o per lo studio di soluzioni per catturare emissioni nocive di anidride carbonica» ha aggiunto Severini.  Medicina, sicurezza, ambiente, industria alimentare. I campi di applicazione sono tantissimi. Ma attenzione, i computer quantistici presentano ancora dei grossi limiti: sono fragili e un cambio di temperatura, improvvise vibrazioni o alterazioni di altri stati fisici potrebbero modificare l’equilibro quantistico e inficiare le operazioni. Su questi limiti ovviamente la ricerca sta lavorando.

Nel 2016, per esempio, la Commissione Europea ha annunciato il lancio della nuova FET Flagship in Quantum Technologies. L’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino) coordina uno di questi progetti da 9,3 milioni di euro. «Il progetto punta a sviluppare una nuova generazione di laser capaci di creare un fascio di luce non-classica nello spettro infrarosso composto da diverse frequenze (o colori)», ha detto Augusto Smerzi, dirigente di ricerca Cnr-Ino. «Questo permetterà nuove applicazioni che spaziano dalla possibilità di trasmettere messaggi sicuri contro hacker ostili e alla stessa creazione di computer ultraveloci sfruttando i principi fondamentali della meccanica quantistica». La strada della rivoluzione quantistica passa dunque anche dal nostro paese. Il cammino tuttavia è ancora lungo. Secondo la ricerca Idc, “Quantum Computing Adoption Trends: 2020 Survey Findings” al quantum computing è dedicato appena il 2% del budget IT delle aziende. La strada è lunga, il mercato è giovane, ma le promesse sono davvero immense. ​