Il quantum computing ha la capacità di cambiare il nostro futuro. Ha il potenziale per trasformare completamente la medicina, rompere la crittografia di alto livello e accelerare l’intelligenza artificiale. Attualmente è in corso una gara tra IBM, Google e Microsoft per costruire il computer quantistico più affidabile in grado di superare in modo significativo qualsiasi supercomputer moderno. Ora è diventata una corsa da miliardi di dollari, con ogni società che ha affermato di superare le altre, la Cina ha investito miliardi nell’informatica quantistica. Ma cos’è il quantum computing? Vedremo i desktop di tutti i giorni in esecuzione su questa tecnologia? Come funziona effettivamente?
Cos’è il Quantum Computing?
Un computer quantistico è proprio come qualsiasi altro computer che esegue calcoli complessi; tuttavia, utilizza i principi della meccanica quantistica per eseguire questi calcoli a velocità molto elevate. Un computer tradizionale utilizza i bit, che memorizzano le informazioni come 1 e 0 binari, questi sono proprio come piccoli interruttori che si accendono (1) e si spengono (0). Sul nostro computer di tutti i giorni utilizziamo app, siti Web, video e immagini che sono costituiti da milioni di bit e vengono tradotti in ciò che vediamo e sentiamo sui nostri computer.
Questa teoria sull’uso dei bit funziona bene per la maggior parte delle cose e i nostri computer possono facilmente calcolare questi risultati in 1 e 0. Tuttavia, sappiamo che ci sono anche casi di incertezza che richiedono calcoli straordinariamente complessi, proprio come la natura e l’universo. I nostri computer non possono affrontare questa incertezza, anche i super computer hanno qualche problema con questi calcoli che impiegano molti anni per eseguire un calcolo complesso.
Nel 1927 un fisico tedesco Werner Heisenberg introdusse il principio di indeterminazione, che afferma che non si può sapere tutto su una particella quantistica allo stesso tempo. Più conosci la sua posizione, meno conosci il suo slancio. Questo divenne noto come meccanica quantistica.
Un computer quantistico utilizza i principi della meccanica quantistica prendendo gli 1 e gli 0 e aggiungendovi un’incertezza in modo che possa essere un 1 o uno 0 allo stesso tempo. Ad esempio, se lanci una moneta e esce testa questo potrebbe essere un 1, se lanci di nuovo la moneta potrebbe finire su croce e questo potrebbe essere uno 0. Quindi, ogni volta che lanci la moneta avrai un certo risultato. Cosa succede se gira continuamente la moneta? È un 1 o uno 0? È entrambe le cose. Questo stato di incertezza è noto come super posizione nell’informatica quantistica ed è lo stesso di far girare la moneta. Più super posizioni hai in un computer quantistico, più combinazioni e più memoria puoi avere.
Come funzionano i computer quantistici?
Invece di usare bit come normali computer, i computer quantistici usano qualcosa chiamato qubit. I Qubit sono realizzati con materiali super conduttivi e sono un dispositivo fisico. I Qubit sono controllati utilizzando impulsi a microonde che sono stati specificati con una particolare frequenza e durata per mettere il qubit in una posizione super o far cambiare lo stato in un modo o nell’altro. Poiché ogni qubit rappresenta due stati contemporaneamente, il numero totale di stati raddoppia con ogni qubit aggiunto. Un qubit è due numeri, due è quattro numeri, tre è otto e così via. Inizia basso ma diventa enorme velocemente.
I Qubit sono piccoli, fino al livello molecolare. Pertanto, i qubit sono costituiti principalmente da elettroni a causa delle proprietà della meccanica quantistica, in particolare della loro proprietà del campo magnetico. Questo è il motivo per cui fungono da elemento costitutivo fondamentale in un computer quantistico. Affinché un elettrone possa essere utilizzato come qubit, deve esserci un modo affidabile per determinare la sua posizione e cambiarne la direzione. Qubit utilizza un concetto noto come punto quantico, che è un volume sferico tipicamente con un diametro di un decimo di millesimo di millimetro. All’interno di questo punto quantico, che è costituito da due materiali semiconduttori come il silicio e il germanio raffreddati a temperature eccezionalmente basse, c’è un elettrone libero. In questo formato, la rotazione elettronica può essere commutata elettronicamente.
Super posizione – Come abbiamo già spiegato, la super posizione è l’incertezza dello stato di un qubit in cui può essere acceso e spento allo stesso tempo o da qualche parte su uno spettro tra i due. Un buon esempio di come funziona è che se chiedi a un normale computer di entrare in un labirinto e trovare l’uscita, proverà ogni singolo percorso, escludendoli tutti usando tentativi ed errori finché non troverà la sua via d’uscita dal labirinto. Questo processo può richiedere molto tempo e occupare più memoria per memorizzare ogni percorso non riuscito. Chiedi a un computer quantistico di trovare la sua via d’uscita da un labirinto e percorrerà ogni singolo percorso all’interno del labirinto allo stesso tempo. Può avere quell’incertezza. Combinato con entanglement e interferenza che sono gli altri due elementi di un calcolo quantistico e può trovare l’uscita nel labirinto in un istante.
Entanglement – Qubits può anche fare qualcosa chiamato entanglement. Tornando all’analogia del lancio della moneta, se lanci due monete il risultato del lancio di una moneta non ha alcuna influenza sull’altra, sono completamente indipendenti l’una dall’altra. Nell’entanglement, due particelle sono collegate insieme anche se sono fisicamente scollegate l’una dall’altra. Questo intrappolamento significa che se lanci entrambe le monete contemporaneamente, anche il risultato è lo stesso. Si comportano in modi che diventano una sorta di sistema. L’entanglement viene utilizzato per ridurre il numero di errori in un sistema mentre viene eseguito in modo più efficiente, ottenendo calcoli molto più rapidamente.
Interferenza – Utilizzando una proprietà quantistica come l’interferenza è possibile controllare gli stati quantistici amplificando i segnali che sono più verso la risposta corretta e annullare i tipi di segnali che sono inclini alla risposta errata. Funziona notevolmente come il funzionamento delle cuffie con cancellazione del rumore che legge le lunghezze d’onda ambientali e quindi crea l’onda opposta per annullarla creando interferenze. Come sappiamo, puoi interferire costruttive e decostruttive. L’interferenza costruttiva amplifica la lunghezza d’onda, quindi il segnale diventa più grande e se hai un’interferenza decostruttiva l’ampiezza si indebolisce. Funziona allo stesso modo nel calcolo quantistico, consentendo di controllare gli stati.
La combinazione di tutti e tre questi elementi è ciò che fa funzionare un computer quantistico, per eseguire calcoli complessi e velocità estremamente elevate.
Quali sono le sfide nell’informatica quantistica?
L’informatica quantistica è ancora agli inizi, ma sono in corso molte grandi ricerche per ampliare ulteriormente le sue capacità. Uno dei più grandi miti che ruotano attorno al calcolo quantistico è semplicemente l’aggiunta di più qubit per aumentare la sua capacità. Sebbene ciò sia vero, è anche una delle maggiori sfide nell’informatica quantistica in quanto non è solo così semplice. I computer quantistici sono macchine straordinariamente complesse con le sue microonde ad alta precisione e le temperature sotto lo zero, sono estremamente sensibili a qualsiasi rumore elettrico o effetto ambientale. Quando aggiungi un altro qubit stai effettivamente moltiplicando i problemi.
Un’altra sfida che alcune persone trovano difficile da afferrare è che puoi conservare le informazioni quantistiche solo per così tanto tempo. Ci sono solo così tanti calcoli che possono essere eseguiti prima di iniziare a perdere quelle informazioni.
Quali sono i prossimi passi?
Cosa deve succedere adesso? Gli attuali leader del settore devono iniziare a costruire livelli astratti per rendere più facile per i programmatori e gli scienziati entrare e iniziare ad apprendere, fare ricerche e trovare nuove aree di applicazioni per il calcolo quantistico. Ciò richiederà anche lo sviluppo di nuovi algoritmi quantistici su cui stanno lavorando i partner di ricerca. La progressione andrà anche di pari passo con la crescita esponenziale dell’hardware e dei processori quantistici, aggiungendo più qubit.
Chi utilizza questa tecnologia?
Il quantum computing ha il potenziale per accelerare rapidamente l’intelligenza artificiale e l’Industria 4.0. Google li sta già utilizzando per migliorare le auto a guida autonoma e per modellare reazioni chimiche complesse.
Ecco un elenco completo delle applicazioni di calcolo quantistico più popolari:
- Cybersecurity
- Sviluppo di farmaci
- Modellazione finanziaria
- Batterie migliori
- Fertilizzazione più pulita
- Ottimizzazione del traffico
- Previsioni meteorologiche e cambiamento climatico
- Intelligenza artificiale
- Cattura solare
- Scoperta di materiali elettronici
Daimler AG – Nel 2018, la casa automobilistica tedesca Daimler AG ha annunciato due partnership con Google e IBM. I veicoli elettrici si basano fondamentalmente sulla chimica delle celle della batteria. Il calcolo quantistico aggiunge speranza per aree come la simulazione cellulare e l’invecchiamento delle celle della batteria. Batterie migliorate per veicoli elettrici potrebbero contribuire ad aumentare l’adozione di tali veicoli.
Daimler sta anche studiando come il calcolo quantistico potrebbe potenzialmente accelerare l’IA, nonché gestire il futuro di un veicolo autonomo e accelerare la sua rete logistica. Segue le orme della Volkswagen. Nel 2017, VW ha annunciato una partnership con Google incentrata su iniziative simili. Ha anche collaborato con D-Wave Systems, nel 2018.
Gruppo Volkswagen – D-Wave e VW hanno già eseguito programmi pilota su una serie di sfide di ottimizzazione relative al traffico e ai viaggi, tra cui la razionalizzazione dei flussi di traffico a Pechino, Barcellona e, proprio questo mese, Lisbona. Per quest’ultimo, una flotta di autobus ha viaggiato lungo percorsi distinti che sono stati adattati alle condizioni del traffico in tempo reale attraverso un algoritmo quantistico, che VW continua a modificare dopo ogni corsa di prova. Secondo il CEO di D-Wave Vern Brownell, il progetto pilota dell’azienda “ci avvicina più che mai alla realizzazione di un vero e pratico calcolo quantistico”.
JP Morgan Chase – Non sorprende che una delle più grandi società finanziarie sia interessata al quantum computing. Dopo tutto il mercato finanziario è un’incertezza sotto alcuni aspetti. JP Morgan è uno dei partner della rete quantistica di Microsoft che include università di ricerca, società tecnologiche e società affiliate. L’informatica quantistica e la modellazione finanziaria sono una combinazione perfetta, con molte somiglianze strutturali. Ora è stata condotta una ricerca sul modello Monte Carlo, che misura la probabilità di vari risultati e valuta i loro rischi.
Quali sono le cose più innovative che accadono nell’informatica quantistica?
La maggior parte delle grandi scoperte accadute finora sono arrivate da ambienti controllati, in cui utilizzano problemi di cui già conoscono le risposte, per raggiungere la supremazia quantistica. Google ha recentemente affermato di aver già raggiunto la supremazia quantistica, che è dove un computer quantistico supera le prestazioni di un computer tradizionale. Google afferma che il suo processore a 54 qubit è stato in grado di eseguire un calcolo in 200 secondi che normalmente avrebbe richiesto un computer tradizionale 10.000 anni. Questa affermazione è stata anche pesantemente criticata da IBM, che afferma che il calcolo avrebbe richiesto solo 2,5 giorni.
Le ricerche hanno anche lavorato alla creazione di algoritmi come gli algoritmi di Shor o Grover che i computer quantistici useranno, ma i dispositivi stessi hanno ancora bisogno di molto più lavoro. Si prevede ora che l’innovazione crescerà, aumentando in modo esponenziale con il valore computazionale e i miglioramenti hardware che dovrebbero crescere ogni 4 anni sulla base dell’equivalente quantistico della legge di Moore. L’obiettivo sarebbe avere il volume per eseguire gli algoritmi quantistici desiderati. Quando ciò si verifica, l’attenzione sarà quindi sulla correzione degli errori quantistici.
Un computer quantistico è progettato per essere utilizzato in un numero elevato di calcoli complessi che richiedono una risposta rapida. Non è e non verrà mai utilizzato per sostituire i nostri computer tradizionali che usiamo ogni giorno. Le applicazioni che utilizziamo quotidianamente come guardare video HD, navigare in Internet e l’elaborazione di testi non porteranno alcun vantaggio nel calcolo quantistico. Puoi vedere l’enorme potenziale di questa tecnologia e sta già guadagnando molto slancio con le grandi aziende che investono milioni. Il futuro è entusiasmante e questa è un’area da tenere d’occhio.
