“Quantum computing”: un salto in un mondo quantico

Il mondo dell’informatica è in costante evoluzione e il “quantum computing” rappresenta la nuova frontiera dell’Information Technology. La tecnologia dell’informatica quantistica apre le porte a nuove possibilità di calcolo, incredibilmente avanzate, consentendo la soluzione di problemi molto complessi.

 

Cos’è il  “quantum computing” e quali sono i suoi campi di applicazione

Il calcolo quantistico o “quantum computing” è una tecnologia che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per risolvere problemi caratterizzati da un alto grado di complessità, la cui soluzione risulta difficile per un computer tradizionale.

Un problema con un alto grado di complessità è caratterizzato dalla presenza di molte variabili che interagiscono tra loro in modo molto complicato.

Un esempio di problema complesso è la simulazione del comportamento dei singoli atomi in una molecola, a causa delle numerose interazioni di tutti i diversi elettroni presenti. Nessun computer tradizionale è dotato di una memoria di lavoro tale da gestire tutte le possibili permutazioni del comportamento molecolare. In questi casi, anche il ricorso ai supercomputer – computer con grandi dimensioni di memoria utilizzati anche per l’intelligenza artificiale – è fallimentare.

Solo ricorrendo agli algoritmi quantistici è quindi possibile creare spazi computazionali multidimensionali per risolvere in modo efficiente questa tipologia di problemi complessi. Questa tecnologia utilizza la conoscenza della meccanica quantistica – la branca della fisica che studia le particelle atomiche e subatomiche – per superare i limiti del calcolo che hanno i computer tradizionali basati sulla meccanica classica.

La simulazione molecolare è uno dei campi più promettenti dell’utilizzo dei computer quantistici e le aziende farmaceutiche li stanno sfruttando per analizzare e confrontare composti che potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci. Anche i produttori di auto utilizzano computer quantistici, con l’obiettivo di simulare la composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici per migliorarne le prestazioni.

I termini chiave e i principi del “quantum computing

Dopo aver chiarito il concetto di “quantum computing” e il suo utilizzo nel campo della soluzione di problemi ad alta complessità, è necessario prendere confidenza con i principi e i termini chiave di questa nuova tecnologia.

Dal Bit al Qubit

Il Bit è l’unità di informazione utilizzata nei computer convenzionali, e può essere in uno dei due stati: “0” o “1”.  Al contrario, il Qubit, l’equivalente quantistico del bit, può esistere simultaneamente in più stati, grazie a un fenomeno noto come sovrapposizione quantistica. Questo aspetto della tecnologia quantistica comporta che un Qubit può trovarsi, nello stesso tempo, sia nello stato zero che nello stato 1 e in proporzioni diverse. Sfruttando questa molteplicità di stati, un computer quantistico, con soli 30 Qubit a disposizione, può eseguire 10 miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo. Questa capacità di esistere in più stati simultaneamente è ciò che rende il quantum computing in grado di risolvere complessi problemi computazionali.

Entanglement o “Intreccio Quantistico”: la connessione indissolubile tra Qubit

L’intreccio quantistico è un fenomeno unico che permette ai qubit di essere correlati in modo che lo stato di uno influenzi immediatamente lo stato dell’altro, indipendentemente dalla distanza tra di loro. Questo legame, noto come entanglement, consente ai quantum computer di effettuare calcoli correlati in modo molto più efficiente rispetto ai computer classici. L’intreccio quantistico è alla base della costruzione di algoritmi quantistici avanzati, e consente una maggiore velocità e parallelismo nei calcoli.

La Decoerenza Quantistica

Tuttavia, le buone notizie finiscono qui, poiché i computer quantistici sono molto più soggetti a errori dei computer classici a causa del fenomeno della decoerenza quantistica.

La decoerenza quantistica è un problema che deriva dall’interazione di qubit con l’ambiente circostante, che può portare alla perdita di informazioni quantistiche e alla degradazione delle prestazioni del quantum computer. Lo stato quantistico dei Qubit è estremamente fragile; la minima vibrazione o variazione di temperatura può farli cadere fuori dallo stato di sovrapposizione prima che il loro lavoro sia stato svolto correttamente.

La gestione della decoerenza è una sfida tecnica fondamentale che gli scienziati e gli ingegneri stanno affrontando per rendere i quantum computer più stabili e affidabili. Una delle tecniche utilizzate è quella di proteggere i Qubit dall’interferenza del mondo esterno utilizzando particolari sistemi estremi di refrigerazione e camere a vuoto.

La supremazia quantistica: un traguardo possibile?

Tuttavia, la presenza della decoerenza non ha intaccato le speranze degli ingegneri e degli scienziati quantistici di riuscire a dimostrare la possibilità della “supremazia quantistica “.

La “supremazia quantistica” si raggiunge quando un computer quantistico può completare un calcolo matematico che, senza possibilità di smentite, risulta al di là della portata del supercomputer più potente. Non è ancora possibile stabilire quanti Qubit saranno necessari per raggiungere questo traguardo.

In ogni caso, grazie all’utilizzo di Qubit, della sovrapposizione e dell’intreccio quantistico è stato possibile creare algoritmi quantistici che superano i limiti degli algoritmi classici per determinati tipi di problemi. Uno di questi è l’algoritmo di Shor, che può fattorizzare grandi numeri in modo molto più efficiente rispetto agli algoritmi classici. Questo ha implicazioni significative per la crittografia, poiché molte tecniche di crittografia attuali si basano sulla difficoltà di fattorizzare numeri grandi.

Il volume degli investimenti in questo innovativo settore

A questo punto è interessante verificare quale sia lo stato di salute di questo settore tecnologico estremamente innovativo.

Secondo un recente studio di McKinsey, denominato Quantum Technology Monitor, il totale degli investimenti annuali nel settore ha raggiunto, a livello globale, i 2,35 miliardi di dollari. Il boom si è verificato nell’ultimo biennio con la nascita di numerose start up  soprattutto nei campi della finanza, dell’automotive, della chimica e delle life sciences.

Anche gli investimenti pubblici stanno assumendo dimensioni significative. Negli Stati Uniti ammontano a 1,8 miliardi di dollari mentre nell’Unione Europea raggiungono 1,2 miliardi di dollari con il nostro Paese fanalino di coda.

A Livello globale, le imprese attive  sono circa 350, ma il tasso di creazione di startup è però rallentato e non ha tenuto il passo con gli investimenti. Infatti, i flussi di capitali si stanno muovendo verso player consolidati piuttosto che verso nuove idee. Nel 2022, infine, sono stati rilasciati 1.589 brevetti relativi alla Quantum Technology.

Il Futuro Quantistico dell’Elaborazione

I numeri  riportati testimoniano che il “quantum computing” rappresenta la nuova frontiera nell’evoluzione dell’informatica. Con principi come il  Qubit, la sovrapposizione e  l’ intreccio quantistico e grazie allo sviluppo di algoritmi quantistici si sta aprendo la strada a una nuova era di calcoli avanzati. Nonostante la presenza di sfide come quella della decoerenza quantistica, la corsa per realizzare computer quantistici funzionali è partita, portando con sé il potenziale per risolvere problemi che una volta sembravano insormontabili.

Il futuro quantistico dell’elaborazione promette di trasformare radicalmente il nostro modo di comprendere e risolvere i problemi complessi, aprendo la strada a scoperte scientifiche, sviluppi tecnologici e applicazioni pratiche che solo pochi anni fa sembravano appartenere al mondo della  fantascienza.