Il “Quantun Computing” sarà il futuro dei nuovi computer?

Cos’è il quantum computing 

Il quantum computing è, letteralmente, la computazione quantistica: la memorizzazione, l’elaborazione e la trasmissione elettronica delle informazioni secondo i principi della meccanica quantistica.

La meccanica quantistica è quella parte della fisica che descrive le interazioni tra materia ed energia nell’infinitamente piccolo, la dimensione delle particelle subatomiche.

È nata agli inizi del ‘900, a partire da problemi che la fisica classica non riusciva a spiegare, come l’emissione del corpo nero e l’effetto fotoelettrico: nel 1900 Max Planck ipotizzò che la radiazione elettromagnetica venisse assorbita dagli atomi non in modo continuo ma discreto, per pacchetti di energia chiamati “quanti”; nel 1905 Einstein dimostrò che le stesse onde elettromagnetiche fossero costituite da “quanti di luce” chiamate in seguito “fotoni”.

La quantizzazione dell’energia aprì la strada al primo modello dell’atomo proposto da Niels Bohr nel 1913 e allo sviluppo di un nuovo paradigma teorico “scandaloso” perché controintuitivo rispetto alla fisica classica e alla logica binaria.

I paradossi della meccanica quantistica

Nell’infinitamente piccolo, una particella può essere anche un’onda (dualismo onda-corpuscolo, De Broglie, 1924), non è possibile misurare entrambi gli aspetti nello stesso esperimento (principio di complementarità, Bohr, 1927), né determinare a priori, con precisione assoluta, i valori di due variabili incompatibili come la posizione e la quantità di moto di una particella (principio di indeterminazione, Heisenberg, 1927). Il comportamento di una particella elementare è prevedibile solo in modo probabilistico. Non è più applicabile il concetto di traiettoria classicamente inteso, né quello di misura.

Infatti, nell’infinitamente piccolo, l’osservatore e gli apparati di misurazione perturbano e interagiscono con “l’oggetto” osservato: arriviamo al famoso paradosso di Schröedinger. Il padre della meccanica ondulatoria immaginò un gatto chiuso in una scatola con una fiala di cianuro, rotta da un martelletto in seguito alle radiazioni di un atomo di uranio: poiché per le leggi della meccanica quantistica non è possibile sapere quando l’atomo emetterà le radiazioni, e quindi quando il cianuro ucciderà il gatto, fino al momento dell’apertura della scatola (l’osservazione) il gatto sarà mezzo vivo e mezzo morto.

Infatti, nell’infinitamente piccolo, l’osservatore e gli apparati di misurazione perturbano e interagiscono con “l’oggetto” osservato: arriviamo al famoso paradosso di Schröedinger. Il padre della meccanica ondulatoria immaginò un gatto chiuso in una scatola con una fiala di cianuro, rotta da un martelletto in seguito alle radiazioni di un atomo di uranio: poiché per le leggi della meccanica quantistica non è possibile sapere quando l’atomo emetterà le radiazioni, e quindi quando il cianuro ucciderà il gatto, fino al momento dell’apertura della scatola (l’osservazione) il gatto sarà mezzo vivo e mezzo morto.

e il gatto fosse stato una particella, avremmo detto “vivo e morto contemporaneamente”, per il principio della sovrapposizione di stati: infatti, un sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in due stati diversi, ognuno pesato da un coefficiente di probabilità. Non a caso, mentre nella fisica classica lo stato di un sistema è descritto da un punto, nella meccanica quantistica si usa il vettore.

Per l’interpretazione di Copenaghen il sistema in sovrapposizione “collassa” in uno stato definito al momento dell’osservazione-misura. Per la teoria della decoerenza, la sovrapposizione di stati non si osserva nei sistemi macroscopici, dove vige la fisica classica, perché il sistema quantistico non è isolato ma interagisce con l’ambiente esterno. Per la teoria a molti mondi, l’osservatore vede realizzarsi solo uno dei due stati perché lui stesso fa parte di uno solo dei possibili stati dell’Universo.

Le sfide del quantum computing

Il principio di sovrapposizione quantistico è alla base del qubit, l’unità di informazione del quantum computing: al contrario del bit, che può assumere solo valore zero o valore uno, il qubit può assumere contemporaneamente valore zero, uno e tutte le somme pesate tra loro, con un aumento esponenziale della potenza computazionale. Questi valori possono venire elaborati simultaneamente e in parallelo (parallelismo quantistico) solo se nel qubit viene mantenuta la sovrapposizione: se la particella “collassa” in uno stato, ad esempio per una qualsiasi interazione con l’ambiente, il calcolo non è più possibile.

L’allungamento del tempo di coerenza, ovvero del tempo in cui l’informazione quantistica rimane inalterata, è una delle maggiori sfide attuali del quantum computing. I qubit collegati tra loro possono provocare interferenze al passaggio dell’informazione, per cui è possibile che il numero di qubit di un computer quantistico diventi inversamente proporzionale al tempo di coerenza: più qubit collegati, più interferenza, meno coerenza.

L’altra sfida importante per il quantum computing è sfruttare al massimo l’entanglement, la correlazione tra due particelle, indipendente dalla distanza: conseguenza della sovrapposizione di stati quando si considera più di un sistema, l’entanglement si verifica quando è possibile definire matematicamente lo stato di una coppia ma non della singola particella. L’esempio è quello di due monete lanciate in aria, che roteano all’infinito mostrando entrambe le facce (sovrapposizione di stati): in caso di entanglement, se si compie una misura su una delle due e si ottiene croce, anche l’altra, istantaneamente, si posizionerà su croce. Quindi, agendo su una particella, si cambierà lo stato (il comportamento) anche dell’altra, con un’accelerazione importante del processo di computazione.

Cosa è la Quantum Supremacy e quali sono le ricerche in corso

Quando un computer quantistico riesce ad eseguire operazioni impossibili da effettuare in tempi ragionevoli per un computer classico, si parla di Quantum Supremacy. La supremazia quantistica ha anche risvolti geopolitici, per le potenzialità dei calcolatori non lineari in termini di cybersicurezza, simulazione dei mercati e transazioni digitali.

I qubit più diffusi sono quelli basati sui circuiti elettrici superconduttori: dei chip depositati su un cristallino di silicio e zaffiro che per rimanere isolati e funzionare devono essere portati a temperature vicine allo zero assoluto. Sono i qubit utilizzati da Google, IBM, Rigetti. Seguono i qubit basati su singoli atomi levitati in campi elettrici, chiamati trappole ioniche: sono usati da Honeywell, da startup come IonQ (su cui ha investito Samsung) e disponibili tra i servizi cloud di Amazon e Microsoft.

Il primo computer quantistico commerciale, a 128 qubit, è stato annunciato nel 2011 dall’azienda canadese D-Wave System, che nel 2013 ne ha venduto la seconda versione a 512 qubit al Quantum Artificial Intelligence Center della Nasa. La sua capacità di calcolo però, testata da ricercatori dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (ETH) con pubblicazione su Science, non sembra avere la potenza necessaria ad affrontare il carico progressivo di complessità di elaborazione che è caratteristica dei processori quantistici, il quantum speed-up.

A gennaio 2019 IBM ha presentato il proprio modello di computer quantistico commerciale, IBM Q System One, che può essere impiegato dalle aziende tramite cloud.

Nell’ottobre dello stesso anno Google ha confermato le indiscrezioni sul raggiungimento della supremazia quantistica e ha pubblicato uno studio su Nature in cui ha affermato che Sycamore, un processore quantistico a 54 qubit, ha risolto in tre minuti e 20 secondi un calcolo estremamente complesso, riguardante un problema statistico scelto con cura. IBM ha dichiarato che il proprio processore quantistico, Summit, potrebbe eseguire lo stesso calcolo di Sycamore in meno tempo. Nel proprio Quantum AI Lab, l’azienda di Mountain View ha creato un processore da 72 qubit, Bristlecone.

A dicembre 2020 il gruppo di ricerca quantistica leader in Cina ha pubblicato su Science i risultati di Quantum Supremacy raggiunti con Jiuzhang, un sistema quantistico basato su fotoni che viaggiano attraverso circuiti ottici disposti su un banco da laboratorio, guidati da specchi. Ogni fotone letto alla fine del processo può essere considerato più o meno equivalente alla lettura di un qubit su un processore come quello di Google. I ricercatori cinesi hanno calcolato che mentre Jiuzhang ha impiegato poco più di tre minuti, per misurare gli stessi fotoni il terzo supercomputer classico più veloce al mondo avrebbe richiesto più di 2 miliardi di anni. La velocità di campionamento misurata è circa 1014 volte maggiore rispetto a un processore standard.

L’Unione Europea dal 2018 ha lanciato la Quantum Flagship Initiative, di cui è partner il Consiglio Nazionale delle Ricerche: un miliardo di euro in 10 anni per finanziare studi sulle tecnologie quantistiche.

Fonte: www.bigdata4innovation.it