Quantum computing, i computer del futuro

1. I limiti della computazione classica

2. Cosa sono i qubit

3. A cosa servono i computer quantistici

4. Quali aziende ci stanno investendo

Nel maggio del 1997 Intel lanciava il processore Pentium II, con una frequenza da 300 MHz.
Nel novembre del 2000, solo tre anni dopo, la stessa società metteva in vendita il Pentium 4, un processore con una frequenza di 1,5 GHz, ben 5 volte superiore. Negli ultimi decenni i computer sono diventati via via sempre più potenti, più piccoli e oggi è possibile sfiorare i 4GHz con un comune processore di fascia media.

Questo andamento è spiegato dalla Legge di Moore: la densità dei transistor su un microchip e la relativa velocità di calcolo raddoppiano ogni 18 mesi.

Per questo, oggi disponiamo di processori che contengono milioni e milioni di transistor in spazi dalle dimensioni atomiche.
Tuttavia, le particelle sono una grandezza discreta finita e potremmo essere prossimi a raggiungere il limite fisico oltre il quale non sarebbe più possibile miniaturizzare le nostre componenti elettroniche.

Dobbiamo quindi aspettarci di raggiungere uno stop nell’innovazione tecnologica?

Secondo una felice intuizione dell’informatica teorica, la meccanica quantistica potrebbe essere la svolta per realizzare macchine con una potenza di calcolo enormemente superiore ai computer convenzionali: i computer quantistici.

Per capire cos’è un computer quantistico dobbiamo comprendere brevemente il funzionamento di un computer classico.

L’informazione nei processori è codificata da sequenze di bit, dall’inglese “binary digit”, ovvero cifra binaria.
Ciò significa che qualsiasi numero, lettera o immagine che consultiamo nei nostri device viene espressa in linguaggio macchina sotto forma di sequenze di 0 e 1.

Per determinare fisicamente questi valori si ricorre alla presenza o assenza del passaggio degli elettroni nei circuiti.
Ogni transistor può essere considerato come una minuscola porta che interrompe il flusso di corrente per brevissimi istanti.
Se il transistor è chiuso, l’elettrone non passa e si registra il valore 0. Se questo rimane aperto, il passaggio dell’elettrone farà misurare il valore 1.

Oggi la dimensione tipica di un transistor è di 14 nanometri, 500 volte più piccolo di un nostro globulo rosso.

Siccome i transistor si stanno rimpicciolendo a dimensioni atomiche, gli elettroni che compongono le sequenze di bit potrebbero semplicemente oltrepassare le porte chiuse (secondo il processo definito tunnel quantistico).

La miniaturizzazione dei circuiti sta raggiungendo un vero e proprio limite fisico per il nostro sviluppo tecnologico.
Per risolvere questo problema, i teorici dell’informatica hanno pensato di usare le proprietà della fisica quantistica a nostro vantaggio.

Al posto dei convenzionali bit, nei computer quantistici si dovrebbero utilizzare i qubit (letteralmente “quantum bit”, bit quantistico), codificati non dal passaggio della corrente (assenza o presenza di elettroni) ma dallo stato quantistico in cui si trovano gli elettroni, definito spin.

Tutti gli elettroni hanno un campo magnetico, ovvero hanno un polo nord e un polo sud. Se questo è allineato con il campo magnetico esterno, lo spin viene definito 0. Al contrario, se si ruota l’elettrone fino ad invertirne i poli, posizionando il campo magnetico in senso contrario a quello dell’ambiente circostante, lo spin assume il valore 1.

In questo modo il qubit, facendo riferimento allo spin degli elettroni, ha anch’esso due stati che possono codificare informazioni binarie, cioè possono essere rappresentati tramite sequenze di 0 e 1.

Ma ciò che rende interessante l’intervento della fisica quantistica è che le particelle non assumono uno dei due stati definiti fino a quando non vengono misurate. Rimangono cioè in una posizione di incertezza in cui presentano un valore di 0 ed 1 contemporaneamente.

Questa situazione di incertezza in cui i valori 0 ed 1 coesistono viene definita superposizione.

Fino a che non viene osservato, il qubit assume una superposizione in cui vale una certa probabilità di 0 ed una certa probabilità di 1 allo stesso tempo.
Nel momento in cui viene misurato però, collassa in uno dei due valori definiti, cioè solo in quel momento decide se valere 0 o 1.

Ok ma… quale sarebbe il vantaggio computazionale?

Supponiamo di avere 4 bit di fila e cerchiamo di capire quante combinazioni si possono rappresentare.
Con quattro bit classici abbiamo 16 combinazioni possibili di 0 e 1 che possiamo rappresentare:

•  0000,
•  0001,
•  0010,
•  0011,
•  … e così via, fino a 1111.

Le combinazioni possibili sono determinate dal numero 24, ovvero 16. Tuttavia avendo solo quattro bit a disposizione, dobbiamo necessariamente scegliere una di queste possibili combinazioni.
Se volessimo rappresentarle tutte nello stesso momento, avremmo bisogno di scriverle tutte di fila, una per una, utilizzando una sequenza di 4×16=64 bit di seguito.

Se invece utilizzassimo i qubit?

In questo caso non saremmo costretti a scegliere. Con quattro qubit infatti, disponendo di quattro superposizioni di 0 e 1 contemporaneamente, avremmo a disposizione tutte le 16 combinazioni allo stesso momento.
Per cui se con 4 bit possiamo rappresentare 4 valori, con 4 quibit possiamo rappresentare 24=16 valori e questo numero aumenta esponenzialmente per ogni qubit extra che aggiungiamo alla nostra sequenza. Con pochi qubit di fila è possile rappresentare numeri enormi, basti pensare che con sole 20 particelle avremmo la possibilià di considerare oltre 1 milione di combinazioni contemporaneamente (220=1 048 576).

La particolarità dei computer quantistici non è quella di effettuare operazioni particolarmente complesse.

In teoria, qualsiasi problema che può essere svolto da un computer quantistico potrebbe essere risolto anche dal computer con cui stai leggendo questo articolo. Per lo meno, se fossi disposto ad aspettare.

Se usassimo un computer quantistico per scrivere un documento, guardare un video in alta definizione o giocare ad un videogioco non noteremmo nessun particolare miglioramento in termini di prestazioni.

I computer quantistici, quindi, non prenderanno il posto dei nostri classici computer per le attività quotidiane, che sono abbastanza semplici e richiedono sequenze di poche operazioni.

Tuttavia, i computer che utilizzeranno i qubit al posto dei bit saranno dotati della così detta supremazia quantistica, ovvero saranno in grado di risolvere rapidamente quei problemi che utilizzando un computer classico potrebbero richiedere migliaia di anni.
Un periodo di tempo che nessuno di noi sarebbe disposto ad aspettare.

Non bisogna pensare ai computer quantistici come a dei super computer in cui ogni operazione è più veloce, ma come a dei computer che necessitano di molte meno operazioni per svolgere i propri compiti.
Se questa tecnologia non fa la differenza per la nostra vita quotidiana, è per alcuni settori specifici che potrebbe essere rivoluzionaria.

I database

Se per trovare un elemento in un database un computer classico dovrebbe testare ogni inserimento, leggendo una riga per volta, i computer quantistici assumendo più posizioni contemporaneamente riuscirebbero a completare la ricerca in tempi nettamente inferiori, il che farebbe la differenza per database molto grandi.

La scienza

Un altro interessante utilizzo sarebbe quello delle simulazioni quantistiche. Poiché la chimica e la nanotecnologia si basano sulla comprensione dei sistemi quantistici, e tali sistemi sono impossibili da simulare in modo efficiente classicamente.
La simulazione quantistica potrebbe quindi essere utilizzata per simulare il comportamento di atomi e particelle, permettendo nuovi progressi per la chimica, la biologia e la medicina.

La Sicurezza informatica

La più famosa implicazione del quantum computing è sinonimo di rovina per la sicurezza informatica così come la conosciamo oggi.
Qualsiasi informazione sensibile viene oggi criptata tramite una chiave, ovvero un numero segreto che può essere composto dal prodotto di due numeri primi da 300 cifre. Trovare questo numero in un tempo paragonabile alle nostre vite è computazionalmente impossibile per un normale computer, che dovrebbe testare i numeri natutali uno ad uno.

In confronto, un computer quantistico potrebbe risolvere efficacemente questo problema in tempi nettamente inferiori, rompendo molti dei sistemi crittografici in uso e comportando significative complicazioni per la privacy e la sicurezza elettronica.
Ma avendo accesso a questa tecnologia, molti ricercatori sostengono che potremmo a nostra volta utilizzarla per potenziare i nostri sistemi di sicurezza, ideando sistemi crittografici quantistici che sarebbero, quindi, molto più sicuri dei sistemi tradizionali.

L’innovazione tecnologica procede con un andamento esponenziale. Numerosi progressi sperimentali sono stati eseguiti negli ultimi decenni, ma alcuni ricercatori sostengono che disporre di computer capaci di eseguire un calcolo quantistico sia ancora un sogno lontano.

Nel frattempo, nel 2019 la società di analisi CB Insights ha stilato una lista delle venti aziende che stanno sviluppando la tecnologia necessaria a implementare la computazione quantistica. Alcune società sono impegnate direttamente nello sviluppo di hardware e software, altre solo nell’implementazione e nella commercializzazione.

Tra queste:

1. Mitsubishi Electric
2. KPN
3. British Telecommunications

Sarebbero proprio loro ad essere maggiormente impegnate nello sviluppo di soluzioni per la sicurezza informatica.
IBM sarebbe tra le aziende più all’avanguardia sui computer quantistici, avendo presentato nel 2019 il Q System One, un computer da 20 qubit che dovrebbe essere commercializzato entro cinque anni.

Google, dal canto suo, sarebbe più orientata ad utilizzare il quantum computing per l’intelligenza artificiale e nel 2018 avrebbe annunciato un nuovo processore quantistico da 72 qubit.

Nell’ottobre del 2019, in collaborazione con la NASA, ha dichiarato di aver raggiunto la supremazia quantistica eseguendo calcoli più di 3.000.000 di volte più velocemente rispetto a quanto fatto sul computer più veloce del mondo computer.

Di fronte a queste sensazionali innovazioni, non sappiamo quanto tempo dovremo aspettare e nemmeno, se i computer quantistici si riveleranno essere degli strumenti specializzati o una rivoluzione per la storia umana.

Nell’attesa, puoi restare aggiornato sulla sicurezza informatica continuando a leggere gli articoli del nostro blog.