Quantum Computers sempre più vicini: ecco come cambieranno il futuro!

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Dall’idea rivoluzionaria agli effetti concreti nel mondo reale

Nel 1981, il fisico americano e premio Nobel, Richard Feynman, tenne una conferenza al Massachusetts Institute of Technology (MIT) vicino a Boston, dove presentò un’idea rivoluzionaria. Feynman propose che le strane leggi della meccanica quantistica potessero essere utilizzate per eseguire calcoli.

Nacque così il campo del calcolo quantistico, che negli oltre quarant’anni successivi è diventato un’area di ricerca intensiva in informatica. Nonostante anni di sviluppo frenetico, i fisici non sono ancora riusciti a costruire computer quantistici pratici adatti all’uso quotidiano in condizioni normali (ad esempio, molti computer quantistici operano a temperature molto basse). Persistono domande e incertezze su come raggiungere questo traguardo.

Spiegazione: Cos’è il calcolo quantistico?

Cosa è esattamente il calcolo quantistico e quanto siamo vicini a vederlo entrare in uso diffuso? Cominciamo osservando il calcolo classico, il tipo di calcolo su cui facciamo affidamento oggi, come il laptop che sto usando per scrivere questo articolo.

Nota dell’editore:

L’autore ospite Domenico Vicinanza è Professore Associato di Sistemi Intelligenti e Data Science presso l’Università Anglia Ruskin. Le aree di competenza di Domenico includono la Tecnologia Audio e Musicale, l’Ingegneria Elettrica ed Elettronica e ha lavorato come associato scientifico al CERN per sette anni. Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons.

I computer classici elaborano le informazioni utilizzando combinazioni di “bit”, le loro unità più piccole di dati. Questi bit possono avere valori di 0 o 1. Tutto ciò che fai sul tuo computer, dal scrivere email alla navigazione sul web, è reso possibile elaborando combinazioni di questi bit in stringhe di zeri e uni.

I computer quantistici, d’altra parte, utilizzano i bit quantistici, o qubit. A differenza dei bit classici, i qubit non rappresentano solo 0 o 1. Grazie a una proprietà chiamata sovrapposizione quantistica, i qubit possono trovarsi in più stati contemporaneamente. Questo significa che un qubit può essere 0, 1 o entrambi contemporaneamente. Questa è la caratteristica che conferisce ai computer quantistici la capacità di elaborare enormi quantità di dati e informazioni simultaneamente.

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Immagina di poter esplorare tutte le possibili soluzioni a un problema contemporaneamente, invece di una alla volta. Ti permetterebbe di trovare la via d’uscita da un labirinto provando simultaneamente tutti i percorsi possibili per trovare quello giusto. I computer quantistici sono quindi incredibilmente veloci nel trovare soluzioni ottimali, come identificare il percorso più breve, il modo più rapido.

Pensa al problema estremamente complesso di rivedere gli orari dei voli aerei dopo un ritardo o un incidente imprevisto. Questo accade regolarmente nel mondo reale, ma le soluzioni applicate potrebbero non essere le migliori o ottimali. Per elaborare le risposte ottimali, i computer standard dovrebbero considerare, uno alla volta, tutte le possibili combinazioni di spostamento, dirottamento, ritardo, cancellazione o raggruppamento dei voli.

Ogni giorno ci sono più di 45,000 voli, organizzati da oltre 500 compagnie aeree, che collegano più di 4,000 aeroporti. Questo problema impiegherebbe anni per essere risolto da un computer classico.

D’altra parte, un computer quantistico sarebbe in grado di provare tutte queste possibilità contemporaneamente e lasciare emergere organicamente la migliore configurazione. I qubit possiedono anche una proprietà fisica nota come intreccio. Quando i qubit sono intrecciati, lo stato di un qubit può dipendere dallo stato di un altro, indipendentemente dalla loro distanza.

Questo è qualcosa che, ancora una volta, non ha corrispondenti nel calcolo classico. L’intreccio permette ai computer quantistici di risolvere certi problemi in modo esponenzialmente più veloce rispetto ai computer tradizionali.

Visioni opposte: Google afferma che le applicazioni commerciali del calcolo quantistico arriveranno entro cinque anni – nel frattempo, il CEO di Nvidia Jensen Huang ha recentemente detto che i computer quantistici “molto utili” sono ancora a 20 anni di distanza

Una domanda comune è se i computer quantistici sostituiranno completamente i computer classici o meno. La risposta breve è no, almeno non nel prossimo futuro. I computer quantistici sono incredibilmente potenti per risolvere problemi specifici – come simulare le interazioni tra diverse molecole, trovare la migliore soluzione tra molte opzioni o gestire la crittografia e la decrittografia. Tuttavia, non sono adatti a ogni tipo di compito.

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I computer classici elaborano un calcolo alla volta in una sequenza lineare e seguono algoritmi (insiemi di regole matematiche per eseguire determinati compiti di calcolo) progettati per l’uso con bit classici che sono o 0 o 1. Questo li rende estremamente prevedibili, robusti e meno inclini agli errori rispetto alle macchine quantistiche. Per le esigenze informatiche quotidiane come l’elaborazione di testi o la navigazione in internet, i computer classici continueranno a svolgere un ruolo dominante.

Ci sono almeno due motivi per questo. Il primo è pratico. Costruire un computer quantistico in grado di eseguire calcoli affidabili è estremamente difficile. Il mondo quantistico è incredibilmente volatile e i qubit sono facilmente disturbati da elementi del loro ambiente, come interferenze dalla radiazione elettromagnetica, il che li rende inclini agli errori.

Il secondo motivo risiede nell’incertezza intrinseca nel trattare i qubit. Poiché i qubit sono in sovrapposizione (non sono né uno 0 né un 1) non sono prevedibili come i bit utilizzati nel calcolo classico. I fisici quindi descrivono i qubit e i loro calcoli in termini di probabilità. Ciò significa che lo stesso problema, utilizzando lo stesso algoritmo quantistico, eseguito più volte sullo stesso computer quantistico potrebbe restituire una soluzione diversa ogni volta.

Per affrontare questa incertezza, gli algoritmi quantistici vengono tipicamente eseguiti più volte. I risultati vengono poi analizzati statisticamente per determinare la soluzione più probabile. Questo approccio permette ai ricercatori di estrarre informazioni significative dai calcoli quantistici intrinsecamente probabilistici.

Dal punto di vista commerciale, lo sviluppo del calcolo quantistico è ancora nelle sue fasi iniziali, ma il panorama è molto diversificato con molte nuove aziende che appaiono ogni anno. È affascinante vedere che, oltre a grandi aziende consolidate come IBM e Google, si stanno unendo nuove come IQM, Pasqal e startup come Alice e Bob. Tutti lavorano per rendere i computer quantistici più affidabili, scalabili e accessibili.

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In passato, i produttori hanno attirato l’attenzione sul numero di qubit nei loro computer quantistici, come misura di quanto fosse potente la macchina. I produttori stanno sempre più dando priorità ai modi per correggere gli errori a cui i computer quantistici sono inclini. Questo cambiamento è cruciale per sviluppare computer quantistici su larga scala e tolleranti ai guasti, poiché queste tecniche sono essenziali per migliorare la loro usabilità.

L’ultimo chip quantistico di Google, Willow, ha recentemente dimostrato notevoli progressi in questo settore. Più qubit Google utilizzava in Willow, più riduceva gli errori. Questo risultato segna un passo significativo verso la costruzione di computer quantistici commercialmente rilevanti che possono rivoluzionare settori come la medicina, l’energia e l’intelligenza artificiale.

Dopo più di 40 anni, il calcolo quantistico è ancora nella sua infanzia, ma si prevedono progressi significativi nel prossimo decennio. La natura probabilistica di queste macchine rappresenta una differenza fondamentale tra il calcolo quantistico e quello classico. È ciò che le rende fragili e difficili da sviluppare e scalare.

Allo stesso tempo, è ciò che le rende uno strumento molto potente per risolvere problemi di ottimizzazione, esplorando più soluzioni contemporaneamente, più velocemente e in modo più efficiente di quanto possano i computer classici.

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