Quattro decenni fa, i fisici ipotizzavano che le affascinanti meccaniche della fisica quantistica potessero essere sfruttate per creare un nuovo tipo di computer, esponenzialmente più potente delle macchine convenzionali.
Una serie di scoperte ha ora avvicinato la cosiddetta “utilità quantistica” alla realtà. E ora è in atto una corsa per sviluppare macchine abbastanza accurate da modellare fedelmente il comportamento di fenomeni complessi del mondo reale e portare progressi in campi come lo sviluppo di farmaci, la modellazione finanziaria e l’intelligenza artificiale.
Perché i computer quantistici sono così interessanti?
Perché possono fare cose che i computer classici non sono in grado di fare.
Google ha rivelato a dicembre che il suo ultimo processore quantistico, Willow, ha risolto un problema in cinque minuti che i supercomputer più potenti del mondo non avrebbero potuto risolvere nemmeno se avessero lavorato da quando l’universo ha avuto origine.
I computer quantistici sperimentali affrontano compiti che metterebbero in difficoltà un computer convenzionale a causa dell’eccessivo numero di variabili in gioco.
Il loro maggiore potenziale risiede nel modellare sistemi complessi con un elevato numero di elementi in movimento, le cui caratteristiche cambiano in base alle reciproche interazioni.
Potrebbero, ad esempio, replicare il comportamento delle molecole per accelerare lo sviluppo di nuovi medicinali o simulare le decisioni di attori economici e intermediari finanziari per rendere più accurate le previsioni di mercato.
Non ci si aspetta però che i computer quantistici siano particolarmente utili per i lavori laboriosi ma più semplici svolti dai computer tradizionali, che elaborano un numero relativamente limitato di input isolati in sequenza su larga scala.
Chi sta costruendo computer quantistici?
La società canadese D-Wave Quantum Inc. è stata la prima a vendere computer quantistici nel 2011.
IBM, Google di Alphabet, Amazon Web Services e numerose startup hanno creato computer quantistici funzionanti.
Più di recente, aziende come Microsoft hanno fatto progressi nello sviluppo di supercomputer quantistici scalabili e pratici.
Intel ha iniziato a distribuire un chip quantistico in silicio ai ricercatori, con transistor chiamati qubit (quantum bit) fino a un milione di volte più piccoli rispetto ad altri tipi di qubit.
Google, IBM e startup come Universal Quantum e PsiQuantum Corp. affermano che forniranno un supercomputer quantistico utile entro la fine del decennio.
La Cina sta costruendo un laboratorio nazionale per le scienze dell’informazione quantistica da 10 miliardi di dollari, parte di un grande investimento nel settore.
Come funzionano i computer quantistici?
I computer quantistici utilizzano circuiti microscopici per eseguire calcoli, come i computer tradizionali. La loro unicità risiede però nel modo in cui questi calcoli vengono effettuati: anziché eseguirli in sequenza, come accade nei computer classici, i calcoli vengono realizzati in parallelo, sfruttando le leggi probabilistiche della meccanica quantistica.
Nei computer tradizionali, le informazioni vengono elaborate tramite unità chiamate bit, che possono rappresentare uno di due stati possibili – 0 o 1.
Un’interpretazione di un computer quantistico secondo l’intelligenza artificiale.
Questi stati corrispondono a una porta logica aperta o chiusa all’interno del processore, e ogni operazione richiede che il bit precedente sia stato completamente elaborato prima di passare a quello successivo. Questa sequenzialità limita la velocità con cui possono essere effettuati calcoli complessi.
I computer quantistici, invece, operano su qubit (quantum bit), che possono esistere in una sovrapposizione di stati. Ciò significa che un qubit può rappresentare contemporaneamente sia 0 che 1, combinando tutte le possibili configurazioni in un singolo calcolo.
Ad esempio, un computer tradizionale con tre bit può rappresentare solo una configurazione alla volta (come 000, 001 o 010), mentre un computer quantistico con tre qubit può rappresentare simultaneamente tutte e otto le combinazioni possibili (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Questo fenomeno è noto come sovrapposizione quantistica.
Entanglement e coerenza
Ma non è tutto: i qubit possono anche essere entangled (o “intrecciati”), un fenomeno per cui lo stato di un qubit è direttamente correlato a quello degli altri. Ciò permette ai qubit di condividere informazioni in modo istantaneo, accelerando ulteriormente il processo di calcolo.
Mentre in un computer tradizionale le informazioni viaggiano sequenzialmente da un punto all’altro del circuito, nei computer quantistici i qubit collaborano simultaneamente per giungere a una soluzione.
Un’altra caratteristica fondamentale è il fenomeno della coerenza. Durante un calcolo, i qubit esplorano molteplici possibilità e generano una varietà di risultati, alcuni dei quali potrebbero essere contraddittori o errati.
La coerenza permette al sistema di “cancellare” le soluzioni meno probabili e amplificare quelle corrette, restituendo così il risultato più plausibile al termine del calcolo. Questo processo rende i computer quantistici particolarmente potenti per problemi complessi e non lineari, come la modellazione di sistemi fisici o economici.
La natura probabilistica dei qubit richiede un controllo estremamente preciso per evitare errori. Piccole perturbazioni, come variazioni di temperatura o interferenze esterne, possono facilmente far cadere i qubit fuori coerenza, portando a risultati errati.
Per questo motivo, spesso i qubit sono realizzati con semiconduttori. IBM, D-Wave e Google usano minuscoli anelli di filo superconduttore. Altri ricercatori hanno usato ioni intrappolati, impulsi di fotoni o lo spin degli elettroni.
Molte di queste tecniche richiedono però condizioni altamente specializzate, come temperature più basse di quelle presenti nello spazio profondo.
Quanti qubit servono?
Moltissimi. Anche se i qubit possono elaborare molte più informazioni rispetto ai bit classici, la loro natura intrinsecamente incerta li rende inclini agli errori.
Gli scienziati stanno sviluppando algoritmi per correggere alcuni di questi errori, ma la soluzione prevede inevitabilmente di aggiungere altri qubit.
Si stima che servano milioni, se non miliardi, di qubit per eseguire in modo affidabile programmi per usi commerciali.
L’attuale record è di 1.180 qubit connessi, raggiunto dalla startup californiana Atom Computing nell’ottobre 2023, più del doppio del precedente record di 433 stabilito da IBM nel novembre 2022.
La sfida principale è collegare abbastanza qubit senza farli cadere fuori coerenza a causa del calore generato dal computer.
Quando li avremo in casa?
Gli accademici stanno già risolvendo problemi con macchine da 100 qubit tramite la piattaforma cloud IBM Quantum, accessibile al pubblico (a patto di sapere sviluppare codice quantistico).
Gli scienziati puntano comunque a creare un computer quantistico “universale” adatto per applicazioni commerciali entro il prossimo decennio.
Una potenziale minaccia della potenza di calcolo dei computer quantistici è la loro capacità di decifrare facilmente i sistemi di crittografia classica.
E la prova più chiara di quanto siamo vicini alla diffusione della tecnologia quantistica è che governi e aziende stanno investendo milioni per proteggere i sistemi legacy dall’essere violati da queste macchine.
