fbpx Le macchine Volanti | L'era della supremazia quantistica
L'era della supremazia quantistica

L'era della supremazia quantistica

28.11.2019 | I computer basati sui quanti hanno compiuto un cruciale salto: ma a cosa servono e quali sono le sfide da superare?

Benvenuti nell’era della supremazia quantistica. Un termine che sembra uscito direttamente da un film di fantascienza, ma rappresenta invece un traguardo a cui gli scienziati e gli ingegneri informatici ambivano da molto tempo. Un traguardo che è stato infine raggiunto nel settembre di quest’anno, quando il computer quantistico chiamato Sycamore – sorto da una collaborazione tra Google e la NASA – ha sfruttato i suoi 53 qubit per risolvere in poco più di tre minuti un problema che un supercomputer tradizionale avrebbe impiegato 10mila anni per portare a termine.

È proprio questa la definizione di supremazia quantistica: il momento in cui viene dimostrato che un sistema informatico basato sulla fisica quantistica è in grado di fare ciò che per i computer tradizionali – non importa quanto potenti – sarebbe impossibile o richiederebbe un tempo irragionevole. Ma perché i quantum computer riescono in un’impresa così stupefacente, considerando le impressionanti capacità di calcolo oggi raggiunte da strumenti come Summit di IBM o il cinese Sunway TaihuLight?

Per capirci qualcosa, bisogna partire dalle basi. I computer tradizionali si basano sui bit, le unità informative composte da impulsi elettrici che regolano il mondo dell’informatica. Un bit può rappresentare solo il valore 1 oppure il valore 0. Tutto ciò che facciamo sui nostri computer, dall’invio di una mail alla visione di un film in streaming, non è altro che una stringa incredibilmente lunga composta dall’alternanza di questi due valori binari.

Come funziona il computer quantistico

I computer quantistici, invece, usano i qubit: unità informative composte da particelle subatomiche come gli elettroni o i protoni. Sono proprio i qubit a consentire ai computer di raggiungere una capacità di calcolo immensamente superiore a quelle finora conquistate (in teoria, fino a 100 milioni di volte superiore). E il merito è di due proprietà della fisica quantistica: il principio di sovrapposizione e l’entanglement.

Nel nostro caso, la prima proprietà indica che i qubit possono assumere contemporaneamente il valore di 0, di 1 e di molteplici combinazioni di queste due unità. Grazie a questo fenomeno controintuitivo (Richard Feynman, uno dei padri della fisica quantistica, affermò che nessuno è davvero in grado di comprendere il comportamento dei quanti), un computer i cui qubit si trovano in uno stato di sovrapposizione può gestire simultaneamente un enorme numero di possibili risultati; aumentando drasticamente la capacità di calcolo di questi strumenti. 

Un esempio fatto già nel 2014 da uno degli sviluppatori di D-Wave – azienda informatica canadese – può chiarire il quadro: “Immaginate di avere solo cinque minuti per trovare uno specifico paragrafo in un libro che si trova in una libreria con 50 milioni di volumi (ovviamente digitalizzati). Con un computer normale, sarebbe una missione impossibile perché dovrebbe analizzare un libro per volta. I computer quantistici, invece, sono in grado di cercare contemporaneamente nei 50 milioni di testi, trovando il paragrafo con grande rapidità”. 

L’altro fenomeno, l’entanglement (ovvero le correlazioni a distanza), prevede che una coppia di particelle (o qubit) esistano sempre nello stesso stato quantistico. Modificare lo stato di uno dei due qubit provoca quindi istantaneamente un prevedibile cambiamento dell’altro, anche se i due si trovano separati da grandi distanze. Nessuno sa precisamente come questo fenomeno funzioni, lo stesso Einstein l’aveva definito una “spaventosa azione a distanza”. Eppure, proprio questo fenomeno è alla base del potere dei computer quantistici: nei computer tradizionali, raddoppiare il numero di bit raddoppia la potenza di calcolo; nei sistemi che si basano sui quanti, aggiungere dei qubit ne fa aumentare il potere in maniera esponenziale.

Ma a che cosa può servire un sistema di questo tipo? Abbiamo davvero bisogno di progettare strumenti del genere? Ovviamente, ci sono valide ragioni per cui aziende come Google, IBM e Microsoft (oltre a numerosi governi) stanno facendo importanti investimenti nei computer quantistici. I colossi tecnologici ritengono infatti che questi nuovi sistemi possano risolvere alcuni importanti problemi che finora è stato impossibile affrontare: dal mondo della finanza alla sicurezza dei dati, dalla lotta alle malattie all’analisi dei modelli climatici o genetici.

A cosa serve il computer quantistico

Un esempio classico è quello delle previsioni del tempo. Il meteo ha un impatto enorme sulla ricchezza delle nazioni: secondo i calcoli dell’economista Rodney Weiher, addirittura il 30% del prodotto interno lordo degli stati dipende, direttamente o indirettamente, dalle condizioni climatiche e quindi anche dalla nostra capacità di prevederle. L’enorme quantità di variabili che condizionano il clima, però, rende estremamente difficile, anche per le macchine più potenti, creare dei modelli matematici affidabili. Ma questo potrebbe cambiare grazie ai computer quantistici, che grazie alla capacità di eseguire un enorme numero di calcoli potranno prevedere con precisione sempre maggiore quando, per esempio, si formerà un uragano e dove colpirà; permettendo all’uomo di intervenire con maggiore tempismo ed efficacia. 

I sistemi informatici quantistici dovrebbero rendere una realtà la medicina su misura, decifrando rapidamente il codice genetico di ogni singolo paziente

Un altro aspetto importante riguarda invece lo sviluppo di nuovi farmaci. In questo settore, per capire se davvero la medicina può curare una malattia o migliorare una condizione patologica, è necessario riuscire a valutare correttamente tutte le interazioni tra le molecole, le proteine e altri componenti. Anche in questo caso si tratta di modelli matematici estremamente complessi, che i computer quantistici – analizzando molteplici combinazioni contemporaneamente – possono produrre molto più efficacemente dei sistemi tradizionali. Non solo: i sistemi informatici quantistici dovrebbero finalmente rendere una realtà la medicina su misura, decifrando rapidamente il codice genetico di ogni singolo paziente.

Un’altra applicazione molto promettente riguarda la simulazione di come la materia si comporta a livello subatomico. Produttori automobilistici come Volkswagen o Daimler progettano di usare i computer quantistici, per esempio, per simulare la composizione chimica delle batterie delle auto elettriche e scoprire così come migliorarne le performance.

I limiti dei computer quantistici

Come si capisce, non si tratta di strumenti che sostituiranno i tradizionali computer, ma che verranno impiegati per risolvere problemi scientifici (e non solo) che oggi sono fuori portata anche per i più potenti supercomputer. Gli ostacoli da superare, però, sono ancora molti: il fatto di aver raggiunto la supremazia quantistica indica solo che questi nuovi strumenti hanno dimostrato almeno in un’occasione di poter effettuare calcoli altrimenti impossibili; ma utilizzarli nella vita di tutti i giorni è un altro paio di maniche.

La condizione fisica dei qubit è infatti estremamente fragile: anche la più piccola vibrazione o il minimo cambiamento nella temperatura – disturbi chiamati “rumore” nel linguaggio tecnico – possono rovinare la sovrapposizione prima ancora che il lavoro dei qubit sia completato. Ed è per questo che i ricercatori fanno del loro meglio per tenere i computer quantistici al riparo, isolandoli dal resto del mondo all’interno di cabine impenetrabili e mantenendoli in luoghi costantemente refrigerati a temperature bassissime.

Il rischio che i quantum computer diano risultati errati è quindi estremamente elevato. “Immaginate di chiedere a un computer di fare un calcolo e ricevere una volta su mille delle risposte completamente casuali”, si legge sulla MIT Tech Review. “Dal momento che un programma potrebbe dover eseguire milioni o miliardi di calcoli, un processore quantistico come quelli che abbiamo a disposizione oggi non avrebbe alcuna speranza di risolvere nessun problema utile”.

Il prossimo obiettivo, dopo aver raggiunto la supremazia quantistica, è quindi assicurarsi che questi strumenti diventino affidabili nonostante l’inevitabile rumore. Una delle strade possibili, sulla carta, è abbastanza semplice: aggiungere molti più qubit ai computer. Secondo gli esperti sarà necessario usare qualche migliaio di bit quantistici per assicurarsi che questi sistemi siano davvero affidabili. A oggi, però, non si è riusciti a far funzionare un sistema che ne impieghi più di 128 (un computer creato dalla statunitense Rigetti Computing).

E forse è questo dato, più di ogni altro, che ci fa comprendere come aver raggiunto la supremazia quantistica non significhi che la strada per arrivare a un vero e proprio computer quantistico sia conclusa. In verità, siamo appena agli inizi: gli scienziati di tutto il mondo hanno davanti a loro una nuova incredibile sfida tecnologica.

 
l'autore
Andrea Daniele Signorelli / Illustrazione: Frelly (Enrico Focarelli Barone)