Un computer quantistico sfrutta alcuni dei fenomeni quasi mistici della meccanica quantistica per offrire enormi balzi in avanti nella potenza di elaborazione. Le macchine quantistiche promettono di superare anche i più potenti degli attuali supercomputer.
Tuttavia, non sostituiranno i computer convenzionali. L’utilizzo di una macchina classica sarà ancora la soluzione più semplice ed economica per affrontare la maggior parte dei problemi. Ma i computer quantistici promettono di alimentare progressi entusiasmanti in vari campi, dalla scienza dei materiali alla ricerca farmaceutica. Le aziende li stanno già utilizzando per sviluppare cose come batterie più leggere e potenti per auto elettriche e per aiutare a creare nuovi farmaci.
Il segreto della potenza di un computer quantistico risiede nella sua capacità di generare e manipolare bit quantistici, o qubit.
Cos’è un Qubit?
I computer odierni utilizzano bit: un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano 1 o 0. Tutto, dai tuoi tweet e le e-mail alle tue canzoni di iTunes e ai video di YouTube, sono essenzialmente lunghe stringhe di queste cifre binarie.
I computer quantistici, d’altra parte, usano i qubit, che sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni. La generazione e la gestione dei qubit è una sfida scientifica e ingegneristica. Alcune aziende, come IBM, Google e Rigetti Computing, utilizzano circuiti superconduttori raffreddati fino a temperature più fredde dello spazio profondo. Altri, come IonQ, intrappolano singoli atomi nei campi elettromagnetici su un chip di silicio in camere ad altissimo vuoto. In entrambi i casi, l’obiettivo è isolare i qubit in uno stato quantistico controllato.
I Qubit hanno alcune proprietà quantistiche bizzarre il che significa che un gruppo connesso di essi può fornire molta più potenza di elaborazione rispetto allo stesso numero di bit binari. Una di queste proprietà è nota come sovrapposizione e un’altra è chiamata entanglement.
Cos’è la sovrapposizione quantistica?
I Qubits possono rappresentare numerose possibili combinazioni di 1 e 0 contemporaneamente. Questa capacità di trovarsi simultaneamente in più stati è chiamata sovrapposizione. Per mettere i qubit in sovrapposizione, i ricercatori li manipolano utilizzando laser di precisione o raggi a microonde.
Grazie a questo fenomeno non proprio intuitivo, un computer quantistico con diversi qubit in sovrapposizione può analizzare simultaneamente un vasto numero di potenziali risultati. Il risultato finale di un calcolo emerge solo una volta che i qubit sono stati misurati, il che fa immediatamente “collassare” il loro stato quantistico a 1 o 0.
Cos’è l’Entanglement Quantistico?
I ricercatori possono generare coppie di qubit che sono “entangled”, il che significa che i due membri di una coppia esistono in un singolo stato quantistico. La modifica dello stato di uno dei qubit cambierà istantaneamente lo stato dell’altro in modo prevedibile. Ciò accade anche se sono separati da distanze molto lunghe.
Nessuno sa davvero come o perché funzioni l’entanglement. Ha persino sconcertato Einstein, che notoriamente lo ha descritto come “azione spettrale a distanza“. Ma è la chiave per la potenza dei computer quantistici. In un computer convenzionale, raddoppiando il numero di bit si raddoppia la sua potenza di elaborazione. Ma grazie all’entanglement, l’aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica produce un aumento esponenziale della sua capacità di elaborazione.
I computer quantistici sfruttano i qubit intrecciati in una sorta di concatenazione quantistica per far funzionare la loro magia. La capacità delle macchine di accelerare i calcoli utilizzando algoritmi quantistici disponibili è il motivo per cui ci sono così tante aspettative sul loro potenziale.
Questa è la buona notizia. La cattiva notizia è che le macchine quantistiche sono molto più soggette ad errori dei computer classici a causa della decoerenza.
Cos’è la decoerenza quantistica?
L’interazione dei qubit con il loro ambiente in modi che causano il decadimento del loro comportamento quantistico e alla fine scompaiono è chiamata decoerenza. Il loro stato quantistico è estremamente fragile. La minima vibrazione o variazione di temperatura – disturbi noti come “rumore” nel linguaggio quantistico – può farli decadere dallo stato di sovrapposizione prima che il loro lavoro sia stato svolto correttamente. Ecco perché i ricercatori fanno del loro meglio per proteggere i qubit dal mondo esterno in quei frigoriferi super raffreddati e nelle camere a vuoto.
Ma nonostante i loro sforzi, il rumore causa ancora l’inserimento di molti errori nei calcoli. Gli algoritmi quantistici intelligenti possono compensare alcuni di questi e anche l’aggiunta di più qubit aiuta. Tuttavia, probabilmente occorreranno migliaia di qubit standard per crearne uno unico, altamente affidabile, noto come qubit “logico”. Ciò indebolirà gran parte della capacità di calcolo di un computer quantistico.
E ecco il vero il problema: finora, i ricercatori non sono stati in grado di generare più di 128 qubit standard. Quindi siamo ancora a molti anni di distanza dall’ottenere computer quantistici che saranno ampiamente utilizzati.
Ciò non ha intaccato le speranze dei pionieri di essere i primi a dimostrare la “supremazia quantistica“.
Cos’è la supremazia quantistica?
È il punto in cui un computer quantistico può completare un calcolo matematico che è dimostrabilmente al di là della portata anche del supercomputer più potente.
Non è ancora chiaro esattamente quanti qubit saranno necessari per raggiungere questo obiettivo perché i ricercatori continuano a trovare nuovi algoritmi per aumentare le prestazioni delle macchine classiche e l’hardware di supercalcolo continua a migliorare. Ma i ricercatori e le aziende stanno lavorando duramente per rivendicare il titolo, eseguendo test su alcuni dei supercomputer più potenti del mondo.
C’è molto dibattito nel mondo della ricerca su quanto sarà significativo il raggiungimento di questo traguardo. Piuttosto che aspettare che venga dichiarata la supremazia, le aziende stanno già iniziando a sperimentare computer quantistici realizzati da aziende come IBM, Rigetti e D-Wave, un’azienda canadese. Anche aziende cinesi come Alibaba stanno offrendo l’accesso a macchine quantistiche. Alcune aziende acquistano computer quantistici, mentre altre utilizzano quelli resi disponibili tramite servizi di cloud computing.
In quale campo è più probabile che un computer quantistico sia più utile rispetto ad altri?
Una delle applicazioni più promettenti dei computer quantistici è la simulazione del comportamento della materia fino al livello molecolare. I produttori di automobili come Volkswagen e Daimler utilizzano computer quantistici per simulare la composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici per trovare nuovi modi per migliorare le loro prestazioni. E le aziende farmaceutiche li stanno sfruttando per analizzare e confrontare composti che potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci.
Le macchine quantistiche sono ottime anche per problemi di ottimizzazione perché possono elaborare un gran numero di potenziali soluzioni in modo estremamente rapido. Airbus, ad esempio, li sta usando per aiutare a calcolare i percorsi di salita e discesa più efficienti in termini di consumo di carburante per gli aeromobili. E Volkswagen ha svelato un servizio che calcola i percorsi ottimali per autobus e taxi nelle città al fine di ridurre al minimo la congestione. Alcuni ricercatori pensano anche che le macchine potrebbero essere utilizzate per accelerare l’intelligenza artificiale.
Potrebbero essere necessari alcuni anni prima che i computer quantistici raggiungano il loro pieno potenziale. Le università e le imprese che vi lavorano stanno affrontando una carenza di ricercatori qualificati nel campo e una mancanza di fornitori di alcuni componenti chiave. Ma se queste nuove macchine informatiche mantengono le loro promesse, potrebbero trasformare interi settori e dare il turbo all’innovazione globale.
