Come funziona un computer quantistico?

La rivoluzione del computer quantistico è alle porte e la competizione per raggiungere la supremazia in questo campo è più accesa che mai. Oggi, i giganti della tecnologia, le università e le startup innovative stanno investendo tempo e risorse per svelare i misteri e sfruttare le potenzialità di questi potenti macchinari. Ma cosa sono esattamente i computer quantistici? Come operano e quali potrebbero essere i cambiamenti che trasformeranno il nostro futuro? In questo articolo, cercheremo di fare luce sulla promettente, e al tempo stesso sfidante, era della computazione quantistica.

Cos’è un computer quantistico?

Il computer quantistico, risultato di decenni di studi matematici, fisici e informatici, è stato teorizzato per la prima volta dal fisico Richard Feynman nel 1982. 

Proseguendo il corso di questi studi, nel 1985, il fisico David Deutsch pubblicò l’articolo “Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer”, dove delineò le principali caratteristiche di questa macchina rivoluzionaria. Nonostante questi primi passi teorici, occorrerà aspettare fino al 2019 per la commercializzazione del modello IBM Q System One, il primo computer quantistico utilizzabile da remoto, segnando un importante traguardo nell’evoluzione di questa tecnologia.

A conferma dell’enorme potenziale di queste macchine, il 9 novembre 2022 IBM ha presentato il nuovo processore quantistico Osprey. Con i suoi 433 qubit, questo modello diventa il processore con il maggior numero di bit quantici di sempre: una capacità di elaborazione tre volte superiore a quella del suo predecessore, Eagle, sempre di IBM, e otto volte superiore a quella di Sycamore, il computer quantistico di Google. Per dare un’idea dell’incredibile potenza di calcolo del computer quantistico Osprey, il colosso americano ha dichiarato pubblicamente attraverso il suo comunicato stampa: 

“per eguagliare le prestazioni del nuovo processore di Osprey sarebbero necessari tanti bit quanti sono gli atomi in tutto l’universo”. 

E in futuro che cosa dobbiamo aspettarci? L’obiettivo di IBM è quello di superare i 4.000 qubit entro il 2025.

Soluzioni veloci a problemi complessi: quali effetti avrà il computer quantistico sulle nostre vite?

La principale caratteristica dei computer quantistici consiste nell’elaborazione di enormi quantità di dati in tempi brevissimi sfruttando le leggi della fisica e della meccanica quantistica e consentendo, quindi, di risolvere problemi che i computer classici richiederebbero migliaia di anni per risolvere.

Il computer quantistico rappresenta un salto tecnologico importante che potrebbe avere un impatto profondo in ogni ambito della nostra società accelerando scoperte sensazionali in vari settori.  

1. Sicurezza informatica: la crittografia dei computer tradizionali sarà soggetta a gravi rischi. Bisognerà sviluppare e innovare i sistemi crittografici presenti oggi, in modo da resistere a possibili attacchi da parte dei computer quantistici. La sicurezza informatica è destinata a rimanere in continua evoluzione per adattarsi alle sfide provocate dalle nuove tecnologie. 
2. Chimica e farmaceutica: Le simulazioni molecolari avranno vita nuova grazie ad una velocità di calcolo impensabile prima d’ora e, di conseguenza, un’accelerazione nella scoperta di nuovi farmaci e materiali.
3. Intelligenza artificiale (AI): la sinergia tra computer quantistici e l’intelligenza artificiale potrebbe essere la combinazione vincente per dare vita alla più grande rivoluzione tecnologica della storia dell’uomo. L’elaborazione quantistica potenzierà notevolmente le capacità dell’intelligenza artificiale, portando a modelli di machine learning decisamente più sofisticati e precisi.
4. Ricerca scientifica: la ricerca scientifica beneficerebbe sicuramente dell’imponente potenza di calcolo offerta dal computer quantistico. Questa potrebbe infondere un rinnovato vigore in svariati campi di ricerca, rendendo possibile la creazione di nuovi fertilizzanti, prodotti chimici per batterie, farmaci personalizzati e sviluppi nella medicina personalizzata attraverso una rappresentazione dettagliata di sistemi complessi.
5. Impatto economico e lavorativo: l’avvento dei computer quantistici potrebbe creare nuove industrie e posti di lavoro, ma potrebbe anche rendere obsoleti alcuni lavori attuali, esattamente come nel caso dell’intelligenza artificiale.

Computer quantistico: funzionamento

Ma come funzionano i computer quantistici? Prima di analizzare le loro caratteristiche occorre interrogarsi sul loro elemento fondamentale: i qubit (o bit quantistici). Si tratta dell’unità di base di informazione che offre enormi potenzialità e svolge più o meno la stessa funzione dei bit per i computer classici. Per comprendere il funzionamento del computer quantistico occorre conoscere i due principi fondamentali:  

Il principio di sovrapposizione 

A differenza dei bit classici, che possono essere solo 0 o 1 in un determinato momento, i qubit possono esistere in uno stato di sovrapposizione, consentendo di rappresentare sia 0 che 1 contemporaneamente. Questo permette ai computer quantistici di elaborare informazioni in parallelo, esplorando infiniti percorsi di calcolo contemporaneamente. Un computer con n qubit può rappresentare 2^n stati diversi simultaneamente e lavorare con tutte le informazioni in parallelo, fornendo un potenziale di elaborazione esponenziale.

Il principio di entanglement

L’entanglement è uno dei concetti fondamentali della computazione quantistica in cui lo stato di due o più qubit è strettamente collegato, indipendentemente dalla distanza che sussiste tra loro. Si tratta di un intreccio che potenzialmente è in grado di rivoluzionare letteralmente il nostro modo di processare l’informazione e di comprendere il mondo fisico.

Mantenere lo stato del qubit in sovrapposizione per elevati periodi di tempo è molto complicato. Attualmente la ricerca tecnologica – capitanata dai colossi come IBM, Google, Microsoft, Intel e istituti di ricerca – sta facendo grandi passi avanti nella realizzazione di sistemi sempre più performanti in grado di sviluppare soluzioni in grado di stabilizzare gli stati e per mitigare i cosiddetti “effetti della decoerenza”, cioè la rottura dello stato di sovrapposizione a causa dell’ambiente esterno.

Quanto costa un computer quantistico? E quanto consuma?

La tecnologia quantistica si trova ancora in una fase embrionale del suo sviluppo. È, quindi, doveroso aspettarci che i costi e i consumi energetici subiranno variazioni importanti nelle prossime generazioni. 

Attualmente, il costo di un computer quantistico è molto elevato ed è determinato dalle sue specifiche (maggiori sono i qubit, maggiore sarà il costo). Se guardiamo ai pochissimi modelli oggi sul mercato si parla di decine di milioni di dollari. Per quanto riguarda, invece, il consumo energetico, i computer quantistici richiedono temperature estremamente basse per mantenere la coerenza dei qubit (gran parte dell’energia utilizzata da un computer quantistico è destinata al raffreddamento). Nonostante ciò, occorre sottolineare che in futuro uno dei grandi vantaggi dei computer quantistici sarà proprio l’efficienza energetica: sono in grado di eseguire calcoli che richiederebbero enormi quantità di energia su un computer classico.

Quali saranno le professioni del futuro?

Nonostante ci troviamo ancora nelle fasi iniziali dello sviluppo della tecnologia quantistica, con la sua piena realizzazione potrebbe emergere un nuovo panorama professionale. È inevitabile che l’avvento di questa tecnologia comporti cambiamenti significativi nel mercato del lavoro con la creazione di nuove professioni: un esempio potrebbe essere la nascita del “Quantum software developer”, un professionista in grado di sviluppare e ottimizzare algoritmi per l’esecuzione su computer quantistici. All’interno di questo scenario in evoluzione, non ci resta che continuare a formarci per restare al passo con i tempi. A tal proposito i corsi di formazione e programmi didattici dedicati allo sviluppo di software e alla Cyber Security di ITS/ICT – Tecnologie dell’informazione e della comunicazione possono ricoprire un ruolo cruciale per affrontare al meglio le sfide future delle prossime generazioni di professionisti. Scopri i corsi!