Era il 1982 quando Richard Feynman, Premio Nobel per la Fisica nel 1965 per l’elaborazione dell’elettrodinamica quantistica, pubblicò il suo famoso lavoro sul computer quantistico. Per lungo tempo, infatti, non si era data particolare importanza a quelle che erano le modalità fisiche dei dispositivi di calcolo e Feyman fu il primo che tentò di concepire un calcolatore che funzionasse seguendo i principi della meccanica quantistica.

Un po’ di storia

Fino agli anni Ottanta del Novecento la computazione si basava sul modello della macchina di Turing che sembrava essere potente almeno quanto un qualsiasi altro modello computazionale. Si era infatti fermamente convinti che un problema che avesse una soluzione efficiente in un qualche modello generico potesse essere risolto anche su una macchina di Turing con risultati notevoli. Alla fine degli anni Settanta, però, nella comunità scientifica iniziarono a sorgere dubbi sull’effettiva validità del modello computazionale di Turing poiché sembrava che alcuni problemi potessero essere risolti efficientemente solo se la macchina lavorava probabilisticamente (la macchina, ad ogni passo, sceglie una fra due transizioni con una probabilità 1/2 per ciascuna).

Richard Feynman
Credit: https://www.focus.it/scienza

I fisici iniziarono così a pensare a un modello più avanzato e nel 1982 Feynman dimostrò che nessuna macchina di Turing classica poteva simulare certi fenomeni fisici senza incorrere in un rallentamento delle sue prestazioni con il passare del tempo. Al contrario un simulatore quantistico avrebbe potuto effettuare il calcolo in maniera molto più efficiente. L’idea di Feynman fu accolta e formalizzata tre anni dopo da David Deutsh, il fisico britannico che realizzò la prima macchina di Turing quantistica universale, rappresentando in teoria quantistica quello che la macchina di Turing rappresentava secondo la teoria di calcolabilità classica.

Che cos’è un computer quantistico e come funziona

I computer quantistici, che a partire dalla teorizzazione di Deutsh subirono notevoli progressi grazie alla partecipazione di grandi nomi della fisica, sono dei calcolatori che sfruttano le leggi della meccanica quantistica, vale a dire che utilizzano i quanti per elaborare e memorizzare le informazioni. Quest’ultime nel modello classico sono contenute nella memoria sotto forma di stringhe di bit. A livello fisico un bit è proprio l’unità base di un sistema binario e può assumere come valore 1 o 0. Se, però, il computer segue le leggi della fisica quantistica, la sua memoria può trovarsi in una qualsiasi sovrapposizione delle possibili stringhe di bit, che prederanno ora il nome di bit quantistici o qubit, e potrà quindi trovarsi contemporaneamente in entrambi gli stati (sia 0 che 1).

Alla caratteristica di sovrapposizione degli stati se ne affiancano altre due, sempre strettamente legate alle leggi della fisica quantistica. I qubit possono essere entangled, cioè correlati, ed interferiscono fra di loro a più livelli.

Essendo però l’uomo in grado di osservare unicamente stati classici, una volta eseguito il calcolo, il computer quantistico trasformerà il risultato fornendo un output classico in modo da poter essere letto.  

TED Talk sul Quantum computing

Limiti e vantaggi

Potendo trovarsi in una sovrapposizione di stati contemporaneamente, l’utilizzo dei qubit velocizza e amplia la possibilità di risolvere problemi estremamente complessi, caratterizzati da un numero elevatissimo di dati. I calcoli sono ora effettuati, non in modo sequenziale, ma in modo parallelo, processo che permette di risolvere più problemi alla volta.

Nonostante ciò, i computer quantistici presentano diversi limiti, legati soprattutto alla fragilità dei qubit. Essi, infatti, cambiando stato perdono notevolmente la loro qualità e questo potrebbe causare la perdita di informazioni e dati utili al processo di calcolo.

Per la tecnologia quantistica, inoltre, sono necessarie temperature molto basse. Fino al 2019 per generare temperature che fossero vicine allo zero assoluto venivano utilizzati gas liquefatti, come l’isotopo elio-3, che hanno un costo altissimo. Dei ricercatori del Technical University of Munich hanno così realizzato un sistema di raffreddamento magnetico per l’elettronica quantistica. Il grande vantaggio di questo sistema è che, invece che utilizzare l’elio-3, utilizza l’elettricità per raggiungere la temperatura desiderata, abbattendo quindi i costi.

Applicazioni

Nonostante molti analisti pensino che il computer quantistico, a causa dell’altissimo costo di produzione, non riuscirà mai ad essere accessibile su ampia scala, le sue applicazioni si estendono a numerosissimi settori. Basti pensare all’intelligenza artificiale, alla ricerca farmaceutica, chimica e medica. Più noto è l’utilizzo del calcolo quantistico per la rilevazione di anomalie statistiche e instabilità del mercato finanziario dove i dati da analizzare sono numerosissimi.

Più di recente si è addirittura pensato a progetti che sfruttassero le potenzialità del quantum computing per la gestione del traffico, i veicoli a guida autonoma e l’ottimizzazione della rete di ricarica elettrica.

Il computer quantistico di Ibm e il D-Wave Two

Credit: https://www.ibm.com/quantum-computing/

Ibm è stata una delle prime aziende ad aver investito nella realizzazione di un computer quantistico ben funzionante ed accessibile alle aziende. Presso l’Almaden Research Center, i ricercatori, partiti elaborando nel 2001 un computer a 7 qubit, hanno annunciato due anni fa la realizzazione di un calcolatore a 21 qubit. Nei laboratori, poi, Ibm è riuscita a simulare il funzionamento di un supercomputer a 56 bit quantistici. L’azienda ad oggi possiede 18 sistemi che mette a disposizione dei suoi clienti.

Ibm ha realizzato anche un sistema di elaborazione quantistica integrato che prende il nome di Q System One (utilizzato soprattutto in campo medico) e ha deciso di aprire un centro a Poughkeepsie, New York, dove ci saranno alcuni dei più avanzati sistemi quantistici della società. Ibm, infatti, vorrebbe creare una vera e propria comunità open source dotandola di strumenti di sviluppo aperti al fine di rende l’accesso alla tecnologia dei quanti il più democratico possibile.

Credit: https://www.dwavesys.com/

Su cifre di elaborazione estremamente più elevate si basa il D-Wave Two, un computer quantistico a 512 qubit quantistici realizzato dalla D-Wave System ed acquistato ad esemplare unico da Google e da Nasa. Si tratta di un’evoluzione di un primo modello a 128 qubit e funziona grazie all’indeterminazione del verso della corrente che scorre al suo interno (essa può girare sia in senso orario che in senso antiorario in modo indistinto). L’azienda ha annunciato anche il D-Wave 2000Q, un supercomputer quantistico con un processore da 2000 qubit.

Nel suo laboratorio quantistico Google ha anche creato Bristlecone, un cip per computer quantistici a 72 qubit. «Affinché un chip quantistico possa svolgere algoritmi oltre lo scopo di classiche simulazioni, richiede non solo un grande di numero di qubit. Fondamentalmente, il processore deve anche avere tassi di errore contenutisulle operazioni readout e logiche, come gate con uno o due qubit» ha detto Julian Kelly, ricercatore presso Quantum AI Lab, parlando di Bristelcone. Questo cip, infatti, rappresenta per Google un importantissimo passo verso la supremazia quantistica. 

L’Unione Europea e l’Italia

Anche l’Italia con il team guidato da Marco Arzeo presso il Seeqc di Napoli si è occupato di studi nel campo della computazione quantistica. Essi hanno misurato un’operazione logica a 2 qubit, aggiudicandosi il titolo di primo team italiano a raggiungere questo traguardo ingegneristico. Grande innovazione del Seeqc è l’utilizzo del Digital Quantum Computing, vale a dire di circuiti integrati che uniscono il bit quantistico all’elettronica. Questo permette maggiore efficienza e stabilità e abbatte notevolmente i costi dei sistemi di calcolo quantistico base.

A Napoli, inoltre, entro la fine del 2021 sarà costruito un laboratorio interamente dedicato agli studi di computazione quantistica in cui lavoreranno 4 studiosi esperti nel campo.

Anche l’Unione Europea si è interessata alle ricerche in campo quantistico e in particolare nel campo della crittografia. I computer quantistici, infatti, possono superare tutte le barriere della tradizionale crittografia e questo richiede lo sviluppo di una nuova cyber security. Proprio con il fine di migliorare la sicurezza dello scambio di informazioni, l’Unione Europea ha dato il via al progetto pilota OpenQkd (Open European quantum key distribution testbed). Si tratta di un’infrastruttura di test per le comunicazioni quantistiche nei paesi costituita dal Qkd (Quantum key distribution o distribuzione quantistica di chiavi crittografiche), una forma di cifratura avanzatissima basata sulla trasmissione di segnali ottici, inviolabili dai computer quantistici al contrario di quelli radio.

La Commissione europea, inoltre, nelle linee guida per gli anni 2019-2024 ha dedicato una posizione di primo piano alle strategie digitali e al calcolo quantistico che è fra le tecnologie su cui l’Europa vuole fondare la propria competitività. È quindi chiaro che nel panorama futuro la computazione quantistica assumerà un ruolo sempre più centrale ed è importante legato alle continue innovazioni che verranno apportate. E chissà, magari un giorno utilizzeremo tutti computer quantistici per lavorare!

Sitografia

Crediti immagini

  • Immagine di copertina credits DHL

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