Delle innumerevoli definizioni di quantum computing, o computing quantistico, una che si addice perfettamente ad un’overview di alto livello è quella fornita da IBM, secondo cui si tratta di “una tecnologia in rapida ascesa che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per risolvere problemi troppo complessi per i computer classici”. Il punto essenziale della definizione, nonché il basamento su cui si fonda tutta la ricerca del computer quantistico, è la sua capacità di risolvere problemi “troppo complessi” (o più correttamente, intrattabili) per un computer tradizionale, indipendentemente dalle performance di quest’ultimo.
Per via delle loro peculiarità e della complessità tecnica sottostante, i computer quantistici sono in fase di sviluppo e non sono disponibili su larga scala, ma l’interesse in ricerca e sviluppo è in costante crescita, come dimostra l’attività delle big tech che vedono in essi un’opportunità di business di rilievo. Secondo il report 2023 del Quantum Technology Monitor di McKinsey, il mercato potenziale dell’ecosistema globale del quantum computing è stimato a 106 miliardi di dollari per il 2040.
Quantum Computing come soluzione per i problemi più complessi
Esistono problemi matematici che siamo in grado di risolvere, ma che con un elaboratore tradizionale richiederebbero anni o decenni per giungere a una soluzione. Per molto tempo, scienziati e ingegneri hanno percorso la strada più lineare, quella dell’aumento esponenziale della capacità di calcolo, un approccio che ha dato vita a CPU con miliardi di transistor e ai moderni supercomputer con centinaia o migliaia di processori. Eppure, un problema complesso per un computer tradizionale resta tale anche per un supercomputer, poiché il principio di funzionamento è lo stesso. Magari si riducono i tempi, ma intervengono considerazioni di efficienza, di costo e di sostenibilità a frenarne l’utilizzo.
“I problemi complessi sono problemi con molte variabili che interagiscono in modi complicati”, spiega IBM, riportando l’esempio della modellizzazione del comportamento degli atomi all’interno di una molecola. Ma esiste anche la categoria dei problemi semplici da descrivere, eppure difficilissimi da risolvere, il cui esempio più eloquente è la fattorizzazione dei numeri primi, ovvero la scomposizione di un numero nel prodotto di due o più numeri primi. A patto che quello di partenza sia sufficientemente grande, il tempo necessario per risolvere il problema con un elaboratore tradizionale può rientrare nell’ordine delle decine di anni. Non è un caso che proprio su questo principio si basino gli algoritmi crittografici e/o le tecnologie basate su di essi, come blockchain.
Quantum Computing vs. computing tradizionale: differenze e vantaggi
Quantum computing e computing tradizionale sono spesso contrapposti per sottolineare la profonda differenza tra i due approcci, che va ben oltre un semplice concetto di velocità o di “performance”.
Come funziona l’informatica tradizionale: i bit
Semplificando, l’informatica tradizionale si basa sul bit (binary digit), l’unità elementare che rappresenta le informazioni. Ogni CPU ha miliardi di transistor (switch) al suo interno che possono assumere solo due stati: aperto (1) o chiuso (0), e la composizione dello stato di tutti gli switch è usata dai processori e dal software per rappresentare valori numerici, testo, immagini, video ecc. Il punto fondamentale è che un bit, come unità elementare, può assumere solo due valori: 0 o 1.
Come funziona il Quantum Computing: concetti chiave
Definito il modello classico, come funziona il quantum computing? Esso parte da un approccio diverso, derivante appunto dalla fisica quantistica. Al posto del bit, utilizza come unità fondamentale i qubit o quantum bit, la cui caratteristica centrale è la capacità di assumere (anche qui, semplificando) i valori di 0, 1 ed entrambi simultaneamente grazie ad un principio noto come sovrapposizione quantistica.
Per trasmettere il principio ai non addetti ai lavori, vengono solitamente usate alcune analogie, da quella del dimmer (contrapposto all’interruttore elettrico on/off) al lancio della moneta. Quest’ultimo è eloquente: mentre ruota in aria, la moneta si trova in uno stato intermedio che di fatto li rappresenta entrambi, o meglio la loro sovrapposizione (0, 1) definita in termini di probabilità di una e dell’altra. La possibilità di assumere entrambi gli stati contemporaneamente (o meglio, parti di essi) è l’essenza del qubit nonché il principale elemento di differenziazione e superiorità (supremazia) rispetto al classical computing.
La sovrapposizione di più stati determina conseguenze operative centrali, poiché fornisce al quantum computer immense capacità di elaborazione parallela delle informazioni (parallelismo quantistico), da cui la possibilità di rispondere efficacemente anche ai problemi intrattabili per limiti di potenza. A titolo d’esempio, per ottimizzare il percorso di un visitatore tra 10 città diverse, qualsiasi CPU dovrebbe calcolare e confrontare quasi 4 milioni di tragitti, che verrebbero elaborati uno alla volta e potrebbero tradursi in un centinaio di ore di elaborazione. Aggiungere una città significa elevare esponenzialmente i possibili tragitti: si stima che con 15 città, i tempi di elaborazione potrebbero essere di migliaia di anni. Un computer quantistico si limiterebbe a calcolarli tutti insieme, fornendo il risultato in una manciata di secondi.
Principi fondamentali del Quantum Computing
I principi fondamentali del quantum computing si basano sulla fisica quantistica e comprendono alcuni concetti complessi, tra cui il qubit di cui si è detto. Tra gli altri:
- Sovrapposizione quantistica, ovvero la capacità dei qubit di esistere in una sovrapposizione contemporanea di stati 0 e 1. È alla base della capacità di calcolo parallela e della possibilità di gestione efficiente di problemi complessi.
- Quantum interference, ovvero la capacità dei qubit di interferire tra loro in modi che possono amplificare o ridurre la probabilità di ottenere un particolare risultato. Questo fenomeno viene sfruttato nei calcoli quantistici per migliorare l’efficienza e aumentare le possibilità di ottenere i risultati desiderati.
- Entanglement quantistico, secondo cui lo stato di un qubit è strettamente legato allo stato di altri qubit adiacenti o intrecciati.
- Misurazione: quando viene effettuata una misurazione su un qubit, esso collassa in uno stato definito di 0 o 1. La probabilità di ottenere uno dei due risultati dipende dalle probabilità associate alla sovrapposizione quantistica.
Potenziali impatti del Quantum Computing nel mondo moderno
Il quantum computing può avere un impatto enorme nel mondo moderno. Grazie alla sua capacità di eseguire calcoli complessi in modo efficiente, potrebbe rivoluzionare diversi settori e, soprattutto, spingere avanti la frontiera dell’innovazione, diventando un abilitatore di intelligenze artificiali ancor più evolute delle attuali o di fattispecie innovative come le auto a guida autonoma.
Nonostante esistano ancora ostacoli da superare, come la decoerenza e l’instabilità dei qubit, gli investimenti in ricerca e sviluppo sono in forte aumento: secondo MarketsandMarkets il mercato è destinato a passare dagli 866 milioni di dollari del 2023 a più di 4 miliardi nel 2028, con un CAGR del 38,3%. “I settori più attivi in questo momento, – sottolinea l’Osservatorio del Politecnico di Milano – sono il mondo bancario e assicurativo (con il 21% dei progetti), seguito da chimico-farmaceutico (20%), automobilistico (18%), energetico, utility e telco (12%), aerospaziale e difesa (11%), manifatturiero (9%), logistica e retail (5%)”.
Applicazioni pratiche del computer quantistico
Per quando concerne le applicazioni pratiche del computer quantistico, o meglio gli use case di maggiore prospettiva, segnaliamo:
- Cybersecurity: come si vedrà meglio successivamente, il quantum computing è una minaccia per gli algoritmi crittografici utilizzati attualmente. Tuttavia, la ricerca è molto fiorente e determinerà nuovi algoritmi crittografici resistenti ai computer quantistici stessi.
- Intelligenza Artificiale: date le straordinarie capacità di calcolo parallelo, il quantum computing può accelerare lo sviluppo di algoritmi di apprendimento automatico e intelligenza artificiale estremamente avanzati, che oggi non vengono adottati proprio per limiti a livello computazionale.
- Finance: i computer quantistici possono rivoluzionare il settore finanziario attraverso capacità di simulazione di scenari complessi per la previsione dei mercati, l’ottimizzazione dei portafogli e la gestione del rischio.
- Pharma: in questo settore, il quantum computing potrebbe consentire una comprensione superiore delle strutture molecolari, e avere così un impatto importante sulla ricerca di nuovi farmaci e sulla loro efficacia.
- Automotive: si prevedono interessanti applicazioni in ambito R&D, gestione di supply chain particolarmente complesse, produzione e gestione della mobilità.
Quantum Computing e sicurezza informatica: implicazioni e sfide
Esiste una fitta relazione tra quantum computing e sicurezza informatica, in particolare nel campo della crittografia.
Le capacità di calcolo (parallelo) del quantum computing rappresentano una minaccia per la sicurezza dei sistemi crittografici su cui si basano le transazioni e la sicurezza di tutti gli ecosistemi digitali. Algoritmi particolarmente diffusi come RSA sono infatti basati sul problema intrattabile della fattorizzazione dei numeri primi, che come si è visto il quantum computing potrebbe risolvere in modo rapido ed efficiente. Considerando che dietro gli algoritmi crittografici si cela tutto l’universo delle transazioni economiche, delle firme digitali, di blockchain e della condivisione di ogni genere di dati, l’impatto potrebbe essere devastante.
Quantum computing può essere sia il problema che la sua stessa soluzione. È infatti nato un fiorente filone di ricerca, noto come post-quantum cryptography, finalizzato a sviluppare algoritmi crittografici resistenti ai calcoli paralleli sfruttando proprio concetti cardine del quantum computing come l’entanglement e la sovrapposizione dei qubit.
Le sfide attuali nel campo del Quantum Computing
Scienziati quantistici e ricercatori sono concordi nei ritenere straordinari i progressi degli ultimi anni. Nonostante l’impegno da parte di colossi come IBM, Google, Microsoft e Amazon (oltre a quello di diversi governi, come quelli di USA e Cina) stia effettivamente determinando risultati importanti e grandi prospettive, restano alcune sfide da vincere prima che la tecnologia quantistica possa essere impiegata per risolvere i problemi di ogni giorno. Secondo gli scienziati, queste sono le principali:
Decoerenza dei qubit
La decoerenza dei qubit è un fenomeno che comporta la perdita di informazione all’interno dei sistemi quantistici. I qubit, infatti, sono estremamente sensibili all’interazione con l’ambiente esterno; tali interazioni possono determinare una perdita di correlazione e l’instaurarsi di stati di sovrapposizione indesiderati. Gli scienziati stanno cercando soluzioni per mitigare l’effetto della decoerenza, come l’utilizzo di error correction codes e l’isolamento dei qubit.
- Scalabilità
L’obiettivo di sviluppare sistemi con centinaia o migliaia di qubit mantenendo elevati livelli di coerenza e bassi tassi di errore è una delle principali sfide della ricerca.
Sviluppo hardware
La sensibilità dei qubit all’ambiente circostante richiede un design sofisticato per proteggerli dalla decoerenza. Inoltre, gestire l’interazione tra i qubit richiede una precisione estrema e un’ingegneria di controllo molto avanzata. Per questi, e altri motivi, lo sviluppo di hardware a supporto del quantum computing è una sfida di straordinaria complessità.
- Sviluppo software
Pur trattandosi di un tema affascinante e promettente, lo sviluppo di tool di software development per quantum computing è ancora agli albori.
- Competenze
Il quantum computing si confronta anche con la carenza di competenze specialistiche, la cui formazione richiede risorse considerevoli a causa della complessità intrinseca della materia.
Computer quantistico: a che punto siamo in Italia
La situazione del quantum computing italiano è embrionale ma pur sempre in crescita. Citando direttamente l’Osservatorio del Politecnico di Milano: “Il Quantum Computing in Italia è prerogativa di pochi: il 50% delle grandi aziende non possiede alcuna conoscenza in merito con un 14% che ha avviato una o più sperimentazioni”.
Nel 2022 è nato il Centro Nazionale per High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing presso il Tecnopolo di Bologna, finanziato con 320 milioni di euro, una cifra interessante sia pur inferiore rispetto a quanto investito da altri Paesi. Competitività delle imprese e sicurezza nazionale sono i principali driver dell’investimento.
Secondo l’Osservatorio PoliMI, lo scenario italiano è caratterizzato da centri di ricerca pubblici all’avanguardia, ma poco integrati in una visione strategica, mentre sono protagoniste grandi aziende internazionali “che hanno attivato team nel nostro Paese e società di consulenza che hanno iniziato a lavorare con alcuni grandi clienti a progetti di sperimentazione applicativa”.
Articolo originariamente pubblicato il 04 Ago 2023
