Pagina99, 26 maggio 2017
Quantum computer, la prossima sfida
Nell’aprile del 2016 il primo ministro canadese Justin Trudeau stupì la stampa internazionale per la sua capacità di descrivere in mode chiaro le basi della computazione quantistica, dimostrando sensibilità e conoscenze non comuni tra i leader politici attuali.
In quell’occasione un giornalista – nel corso di una conferenza stampa che si svolgeva presso l’istituto di Fisica teorica di Waterloo, il Perimeter Institute – lo aveva provocato chiedendogli se fosse in grado di spiegare che cos’era un computer quantistico.
Trudeau rispose: «Semplificando: i computer normali sono sistemi binari che lavorano su due valori: zero e uno. Gli stati quantistici consentono invece di codificare un’informazione molto più complessa in un singolo bit... perché, come sappiamo, le cose possono essere sia particelle sia onde allo stesso tempo». Seguì un applauso scrosciante.
Il Canada all’avanguardia
Tanto interesse era giustificato dal fatto che il quantum computing, un settore di ricerca in cui il Canada è all’avanguardia a livello internazionale, è considerato un paradigma tecnologico che ha la potenzialità di produrre cambiamenti fondamentali nel modo in cui si elaborano le informazioni.
Si tratta di un approccio che fa leva su uno dei pilastri della fisica moderna, la meccanica quantistica, applicandone alcune proprietà fondamentali nell’architettura dei calcolatori.
Il passaggio dai computer “binari” a quelli quantistici potrebbe avere applicazioni importanti nella ricerca medica, nelle telecomunicazioni, nell’intelligenza artificiale e nella tecnologia militare. Gli esperti del settore si aspettano che questa nuova onda tecnologica potrà darci nuove tipologie di farmaci, una crittografia più robusta di quella attuale, simulazioni di sistemi naturali complessi.
Per semplificare: sarà possibile risolvere problemi che le tecnologie attuali non riescono ad affrontare.
Per questa ragione lo studio del computer quantistico, che sta oggi emergendo dalla fase di pura ricerca, attrae investimenti sempre più ingenti sia dal settore pubblico sia da quello privato e sta entrando nella fase di applicazione e commercializzazione.
Oggi investono somme significative nel settore non solo numerosi governi, in prima fila Cina e Stati Uniti, ma anche fondi di venture capitai (per esempio Andreessen-Horowitz) e grandi istituzioni finanziarie (Goldman Sachs).
Il paradosso di Feynman
L’idea di costruire elaboratori basandosi sulla logica quantistica risale ai primi anni ‘80, quando prima il premio Nobel Richard Feynman e poi altri studiosi come David Deutsch iniziarono a teorizzare la possibilità di costruire computer in grado di sfruttare le proprietà della meccanica quantistica.
Qui è bene fare una pausa (necessaria per i neofiti della materia) per sottolineare quanto la meccanica quantistica sia una scienza difficile e controintuitiva.
Feynman – che di quella materia è stato uno dei massimi studiosi – scrisse con la sua consueta arguzia che «se pensi di capire la meccanica quantistica, allora non la capisci», un paradosso che sottolineava come questa disciplina, le cui basi teoriche sono assai solide e hanno superato brillantemente molti decenni di verifiche sperimentali, solleva interrogativi che continuano a fare a pugni con la ragione umana.
L’età dei qbit
L’originalità del quantum computing si basa su una rivoluzione nei criteri fondamentali con cui sono costruiti i calcolatori. I computer tradizionali si basano sulla logica binaria per processare le informazioni, vale a dire su unità chiamate “bit” che possono assumere unicamente due valori: 0 e 1, tipicamente rappresentati materialmente tramite l’assenza o la presenza di una carica o corrente elettrica. Invece, nel caso dei computer quantistici, le unità di informazione sono i cosiddetti “qbit” nei quali – fino a quando non avviene una misurazione – è presente una “sovrapposizione di stati”, un fenomeno tipicamente quantistico che è difficilmente osservabile nel mondo macroscopico.
I qbit, termine inventate nel 1995 da Benjamin Schumacher, possono essere rappresentati tecnicamente tramite particelle elementari come ad esempio un elettrone in un campo magnetico o un fotone polarizzato. Una loro proprietà fondamentale è quella di poter essere “entangled”, vale a dire legati e correlati tra loro anche a distanza, sovrapponendo quindi tutte le combinazioni degli stati dei singoli qbit. Ad esem pio un singolo qbit può rap presentare simultaneamen te due stati, 0 e 1. Due qbi possono convogliare quat tro permutazioni, 00, 01,1C e 11. Tre qbit ne possono rappresentare 16, e così via Questo consente di effettuare in modo incredibilmente efficiente calcoli paralleli e di risolvere alcune tipologie di problemi molte ardui per i computer tradizionali, raggiungendo una potenza computazionale che cresce in modo esponenziale con il numero di qbit disponibili.
Geopolitica del quantum
L’utilità dei quantum computer ha basi solide, e le sue potenziali applicazioni sulla crittografia sono state dimostrate (da Peter Shor e Lov Grover, tra gli altri) fin dagli anni ’90. Purtroppo, nonostante la fattibilità teorica, i computer quantistici sono stati molto difficili da costruire al livello pratico.
Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi approcci con cui ingegnerizzare computer quantistici funzionanti, in particolare nell’ultimo decennio sono maturati esperimenti di grande interesse. Uno dei più citati e contestati è quello della computazione quantistica cosiddetta “adiabatica”, portato avanti dalla società canadese D-Wave Systems.
Il loro ultimo modello, il D-Wave 2000Q, è stato annunciato nel gennaio 2017 e dovrebbe raggiungere i 2.048 qbit, tuttavia la comunità scientifica è ancora divisa sull’effettiva performance superiore dei loro elaboratori. Nonostante ciò, negli anni precedenti l’azienda ha ricevuto conferme commerciali importanti: investimenti da Goldman Sachs e da In-Q-Tel, il fondo di venture capitai della Cia, e vendita dei suoi primi prodotti a soggetti come Google, Nasa e Lockheed Martin.
Altre società, come Ibm, Microsoft, Alibaba e Google, stanno esplorando anche paradigmi tradizionali. Quest’ultima ad esempio dispone ora di sistemi di 9 qbit e pianifica di realizzare entro la fine del 2017 un sistema con 49 qbit. Altre imprese, come Toshiba, Mitsubishi, Hewlett Packard e altri, stanno esplorando anche tecnologie di prossimità come ad esempio la crittografia quantistica.
Alcuni governi stanno investendo pesantemente nella ricerca sulle tecnologie dell’informazione quantistica, come ad esempio quello di Singapore con il suo Centre for Quantum Technologies e la Cina, che nel 2016 ha lanciato nello spazio un satellite specializzato in telecomunicazioni altamente sicure, superiori ai comuni sistemi di crittografia e intercettazione, basato sull’utilizzo di tecnologie quantistiche.
Tutto questo ha un risvolto geopolitico significativo dato che il quantum computing può sia creare nuove tipologie di crittografia sicura, sia spezzare molte delle tecniche già esistenti utilizzate comunemente nel settore militare e nella finanza. In particolare Stati Uniti e Cina hanno avviato una corsa per primeggiare e costruire tecnologie informatiche quantistiche, che ancora per molto tempo si baseranno su super-computer e alti investimenti realizzabili solo da istituti di ricerca pubblici e grandi aziende. La curva dell’innovazione nel settore sta rivendo un’importante accelerazione, così come le sue implicazioni politiche ed economiche.