A seconda di chi chiedi, alcuni dicono che i computer quantistici potrebbero rompere Internet, rendendo obsoleti praticamente tutti i protocolli di sicurezza dei dati, o permetterci di uscire dalla crisi climatica.
Questi dispositivi iperpotenti, una tecnologia emergente che sfrutta le proprietà della meccanica quantistica, sono molto discussi.
Nel novembre dello scorso anno, IBM ha presentato il suo ultimo computer quantistico, Osprey, un nuovo processore da 433 qubit che è tre volte più potente del suo predecessore costruito solo nel 2021.
Ma di cosa si tratta tutto questo clamore?
Quantum è un campo della scienza che studia le proprietà fisiche della natura alla scala degli atomi e delle particelle subatomiche.
I fautori della tecnologia quantistica affermano che queste macchine potrebbero inaugurare rapidi progressi in campi come la scoperta di farmaci e la scienza dei materiali, una prospettiva che lascia intravedere l’allettante possibilità di creare, ad esempio, batterie per veicoli elettrici più leggere ed efficienti o materiali che potrebbero facilitare un’efficace cattura di CO2 .
Con la crisi climatica incombente e la tecnologia con la speranza di risolvere problemi complessi come questi sono destinati a suscitare un vivo interesse.
Non c’è da stupirsi quindi che alcune delle più grandi aziende tecnologiche del mondo – Google, Microsoft, Amazon e, ovviamente, IBM per citarne alcune – stiano investendo molto in esso e puntando a prendere il loro posto in un futuro quantistico.
Come funzionano i computer quantistici?
Dato che queste macchine dal suono utopico stanno attirando un interesse così frenetico, forse sarebbe utile capire come funzionano e cosa le differenzia dall’informatica classica.
Prendi ogni dispositivo che abbiamo oggi, dagli smartphone nelle nostre tasche ai nostri supercomputer più potenti. Questi operano e hanno sempre operato secondo lo stesso principio del codice binario.
Essenzialmente, i chip dei nostri computer utilizzano minuscoli transistor che funzionano come interruttori on/off per fornire due possibili valori, 0 o 1, altrimenti noti come bit, abbreviazione di cifre binarie.
Questi bit possono essere configurati in unità più grandi e complesse, essenzialmente lunghe stringhe di 0 e 1 codificate con comandi di dati che dicono al computer cosa fare: visualizzare un video; mostrare un post su Facebook; riprodurre un mp3; consente di digitare un’e-mail e così via.
Ma un computer quantistico?
Queste macchine funzionano in modo completamente diverso. Al posto dei bit in un computer classico, l’unità di base dell’informazione nell’informatica quantistica è il cosiddetto bit quantico, o qubit. Queste sono tipicamente particelle subatomiche come fotoni o elettroni.
La chiave della potenza computazionale avanzata di una macchina quantistica risiede nella sua capacità di manipolare questi qubit.
“Un qubit è un sistema quantistico a due livelli che consente di immagazzinare informazioni quantistiche”, ha spiegato a Euronews Next Ivano Tavernelli, leader globale per gli algoritmi avanzati per le simulazioni quantistiche presso l’IBM Research Lab di Zurigo.
“Invece di avere solo i due livelli zero e uno che avresti in un calcolo classico qui, possiamo costruire una sovrapposizione di questi due stati”, ha aggiunto.
Sovrapposizione
La sovrapposizione in qubit significa che a differenza di un sistema binario con i suoi due possibili valori, 0 o 1, un qubit in sovrapposizione può essere 0 o 1 o 0 e 1 contemporaneamente.
E se non riesci a capirlo, l’analogia spesso data è quella di un penny.
Quando è fermo un penny ha due facce, testa o croce. Ma se lo capovolgi? O farlo girare? In un certo senso, è testa e croce allo stesso tempo finché non atterra e puoi misurarlo.
E per l’informatica, questa capacità di essere in più stati contemporaneamente significa che hai una quantità esponenzialmente maggiore di stati in cui codificare i dati, rendendo i computer quantistici esponenzialmente più potenti dei tradizionali computer a codice binario.
Entanglement quantistico
Un’altra proprietà cruciale per il funzionamento dell’informatica quantistica è l’entanglement. È una caratteristica alquanto misteriosa della meccanica quantistica che ha persino sconcertato Einstein ai suoi tempi che la definì “spettrale azione a distanza”.
Quando due qubit vengono generati in uno stato entangled, esiste una correlazione misurabile diretta tra ciò che accade a un qubit in una coppia entangled e ciò che accade all’altro, indipendentemente da quanto siano distanti. Questo fenomeno non ha equivalenti nel mondo classico.
“Questa proprietà dell’entanglement è molto importante perché porta una connettività molto, molto più forte tra le diverse unità e qubit. Quindi la potenza di elaborazione di questo sistema è più forte e migliore del computer classico”, Alessandro Curioni, direttore dell’IBM Research Lab a Zurigo, spiegato a Euronews Next.
Infatti, quest’anno, il Premio Nobel per la fisica è stato assegnato a tre scienziati, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, per i loro esperimenti sull’entanglement e per l’avanzamento nel campo dell’informazione quantistica.
Perché abbiamo bisogno di computer quantistici?
Quindi, in poche parole dichiaratamente semplificate, questi sono gli elementi costitutivi di come funzionano i computer quantistici.
Ma ancora una volta, perché abbiamo necessariamente bisogno di macchine così potenti quando abbiamo già dei supercomputer?
“[The] il computer quantistico renderà molto più semplice la simulazione del mondo fisico”, ha affermato.
“Un computer quantistico sarà in grado di simulare meglio il mondo quantistico, quindi simulazione di atomi e molecole”.
Come spiega Curioni, ciò consentirà ai computer quantistici di aiutare nella progettazione e nella scoperta di nuovi materiali con proprietà su misura.
“Se sono in grado di progettare un materiale migliore per lo stoccaggio dell’energia, posso risolvere il problema della mobilità. Se sono in grado di progettare un materiale migliore come fertilizzante, sono in grado di risolvere il problema della fame e della produzione di cibo. Se riesco a sono in grado di progettare un nuovo materiale che lo permetta [us] per fare la cattura di CO2, sono in grado di risolvere il problema del cambiamento climatico”, ha detto.
Effetti collaterali indesiderati?
Ma potrebbero esserci anche alcuni effetti collaterali indesiderati che devono essere spiegati mentre entriamo nell’era quantistica.
Una preoccupazione primaria è che i computer quantistici del futuro possano essere dotati di capacità di calcolo così potenti da poter infrangere i protocolli di crittografia fondamentali per la sicurezza di Internet che abbiamo oggi.
“Quando le persone comunicano su Internet, chiunque può ascoltare la conversazione. Quindi devono prima essere crittografate. E il modo in cui funziona la crittografia tra due persone che non si sono incontrate è che devono fare affidamento su alcuni algoritmi noti come RSA o Elliptic Curve , Diffie–Hellman, per scambiare una chiave segreta”, ha spiegato Vadim Lyubashevsky, crittografo presso l’IBM Research Lab di Zurigo.
“Lo scambio della chiave segreta è la parte difficile, e quelli richiedono alcuni presupposti matematici che si rompono con i computer quantistici”.
Per proteggersi da ciò, Lyubashevsky afferma che le organizzazioni e gli attori statali dovrebbero già aggiornare la loro crittografia ad algoritmi quantistici sicuri, ad es. quelli che non possono essere rotti dai computer quantistici.
Molti di questi algoritmi sono già stati realizzati e altri sono in fase di sviluppo.
“Anche se non abbiamo un computer quantistico, possiamo scrivere algoritmi e sappiamo cosa farà una volta che esiste, come eseguirà questi algoritmi”, ha detto.
“Abbiamo aspettative concrete su ciò che farà un particolare computer quantistico e su come infrangerà determinati schemi di crittografia o alcuni altri schemi crittografici. Quindi, possiamo sicuramente prepararci a cose del genere”, ha aggiunto Lyubashevsky.
“E questo ha senso. Ha senso prepararsi a cose del genere perché sappiamo esattamente cosa faranno”.
Ma poi c’è il problema dei dati già esistenti che non sono stati crittografati con algoritmi quantistici sicuri.
“C’è un pericolo molto grande che le organizzazioni governative in questo momento stiano già immagazzinando molto traffico Internet nella speranza che, una volta costruito un computer quantistico, saranno in grado di decifrarlo”, ha affermato.
“Quindi, anche se ora le cose sono ancora sicure, forse ora viene trasmesso qualcosa che è ancora interessante tra dieci, 15 anni. Ed è allora che il governo, chiunque costruisca un computer quantistico, sarà in grado di decrittografarlo e forse utilizzare quelle informazioni che non dovrebbe usare”.
Nonostante ciò, confrontato con i potenziali benefici del calcolo quantistico, Lyubashevsky afferma che questi rischi non dovrebbero fermare lo sviluppo di queste macchine.
“Rompere la crittografia non è il punto dei computer quantistici, è solo un effetto collaterale”, ha detto.
“Si spera che avrà molte più utili utilità come aumentare la velocità con cui è possibile scoprire reazioni chimiche e usarle per la medicina e cose del genere. Quindi questo è il punto di un computer quantistico”, ha aggiunto.
“E certo, ha l’effetto collaterale negativo che romperà la crittografia. Ma questo non è un motivo per non costruire un computer quantistico, perché possiamo correggerlo e lo abbiamo corretto. Quindi è una specie di problema facile da risolvere lì “.
Per ulteriori informazioni su questa storia, guarda il video esplicativo nel lettore multimediale in alto.
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