Dal Quantum Computing al Quantum Computer
Il Quantum Computing rappresenta oggi una delle innovazioni tecnologiche più promettenti del nostro tempo, con il potenziale di rivoluzionare il modo in cui affrontiamo problemi complessi. Esistono, infatti, problemi estremamente complessi nei quali i computer tradizionali mostrano dei limiti, come la simulazione di molecole e composti chimici per la scoperta di nuovi farmaci o l'ottimizzazione di sistemi con milioni di variabili, come nel caso della logistica.
Per risolvere tali problemi, i computer tradizionali richiedono mesi o anni per giungere a una soluzione esatta, e spesso siamo costretti a ricorrere a soluzioni approssimate, adottando algoritmi e metodi che forniscono soluzioni subottimali, accettando compromessi tra accuratezza e tempo di calcolo. Con l'avvento dei computer quantistici, tuttavia, questo scenario potrebbe cambiare radicalmente.
Come funziona un Quantum Computer
Compresi i principi alla base del Quantum Computing e alcuni concetti fondamentali della fisica quantistica, proviamo ora a spiegare come funziona un computer quantistico attraverso un altro semplice esempio.
Supponiamo che un computer classico debba trovare il percorso corretto per uscire da un labirinto. In questo caso dovrebbe procedere per tentativi, andando a destra o a sinistra a ogni biforcazione, tornando indietro in caso di errore e ricominciando finché non si arrivi all’uscita del labirinto. Con il Quantum Computing, proprio grazie alla sovrapposizione, il computer quantistico può andare contemporaneamente sia a destra che a sinistra a ogni bivio, trovando la strada corretta nel minor tempo possibile.
Con la sovrapposizione degli stati non sono il tempo di elaborazione del sistema è più veloce, ma, soprattutto, diminuiscono le operazioni necessarie per arrivare a un determinato risultato.
In questo scenario i computer quantistici possono potenzialmente aprire innumerevoli opportunità per risolvere problemi complessi che oggi sono irrisolvibili, offrendo nuove possibilità in campi scientifici e industriali.
Cos’è un qubit
Il qubit (o bit quantistico) è l’unità di misura dell’informazione quantistica, ovvero l’analogo quantistico di un bit classico. A differenza del bit tradizionale, che può assumere solo valore 0 e 1 – come una moneta può essere solo testa o croce – il qubit grazie ai principi di sovrapposizione degli stati ed entanglement della meccanica quantistica può assumere valore 0, 1 o una combinazione lineare di 0 e 1, passando da una misura deterministica a una probabilistica: come la moneta che, grazie al principio di sovrapposizione degli stati, mentre ruota ha una certa probabilità di assumere testa e una certa di assumere croce.
Cos’è un computer quantistico
Il computer quantistico è un calcolatore che si fonda sull’utilizzo del bit quantistico, o qubit, a loro volta basati sulla manipolazione degli stati quantistici della materia per elaborare informazioni. Grazie al principio di sovrapposizione degli stati e di entanglement, il sistema quantistico può elaborare più input nello stesso momento, riducendo il numero di operazioni necessarie per ottenere un certo risultato. Ciò produce un’accelerazione: idealmente, se il computer classico può realizzare N operazioni con N bit, un computer quantistico con N qubit può realizzarne 2n e quindi può essere 2n volte più veloce. Ciò porta a un aumento della capacità computazionale che su alcuni tipi di problemi può essere esponenziale, aprendo la strada per la risoluzione di problemi complessi finora irrisolvibili.
Le altre tecnologie quantistiche
I principi quantistici di sovrapposizione degli stati ed entanglement che abbiamo illustrato all’interno di questa guida sono sì alla base del Quantum Computing, ma sono anche alla base di tutte le tecnologie quantistiche. Queste ultime possono avere obiettivi anche molto diversi tra loro, dall’accelerare la capacità computazionale, come abbiamo visto, fino al garantire sicurezza assoluta delle comunicazioni.
Oltre al Quantum Computing, le tecnologie quantistiche vengono solitamente suddivise in altre tre grandi aree d’applicazione:
- Quantum Communication
- Quantum Sensing & Metrology
- Quantum Simulation
Quantum Simulation
I Quantum Simulation (o simulatori quantistici) possono essere considerati come versioni analogiche dei computer quantistici, appositamente dedicati alla riproduzione del comportamento di sistemi complessi a livello molecolare e atomico, dove i fenomeni quantistici si manifestano e danno origine a proprietà straordinarie.
Il loro principale vantaggio rispetto ai computer quantistici è che i simulatori quantistici non richiedono il controllo completo di ogni singolo componente e sono quindi più semplici da costruire. Questa capacità può essere cruciale per avanzare in campi come la chimica, la fisica dei materiali e la biologia.
Un esempio di applicazione potrebbe essere lo studio dei materiali superconduttivi ad alte temperature. La comprensione di questo fenomeno potrebbe portare alla creazione di materiali in grado di condurre elettricità senza perdite ad alte temperature, con applicazioni nell'energy storage and distribution.
Quantum Communication (e Post-Quantum Cryptography)
La Quantum Communication (comunicazione quantistica), in un'era in cui la sicurezza delle informazioni è cruciale, potrebbe rivoluzionare il modo in cui gestiamo e proteggiamo i dati a livello globale, offrendo un livello senza precedenti di sicurezza e integrità per la loro trasmissione. La Quantum Communication consente infatti di creare canali di comunicazione che sono intrinsecamente sicuri contro l'intercettazione. Qualsiasi tentativo di spiare o alterare le informazioni trasmesse altererebbe inevitabilmente lo stato quantistico, rendendo immediatamente rilevabile l'intrusione.
La Quantum Communication consiste in reti di comunicazione basate su principi fisici quantistici. Nella comunicazione quantistica, il principio di entanglement gioca un ruolo importante: i qubit possono essere intrecciati tra loro, consentendo agli stati quantistici delle particelle di essere correlati a grandi distanze. Un'altra proprietà dei qubit è che non possono essere copiati con un’identica superposition. Di conseguenza, qualsiasi tentativo di intercettare, leggere e inoltrare una comunicazione basata su qubit è rintracciabile confrontando gli stati dei qubit ricevuti con gli stati dei qubit inviati. La comunicazione quantistica è quindi potenzialmente immune da interferenze esterne, a condizione che mittente e ricevente possano identificarsi reciprocamente in modo affidabile.
Ciò apre la strada allo scambio e all'elaborazione dei dati in modo fondamentalmente sicuro, conferendo alla comunicazione quantistica un potenziale straordinario per applicazioni in ambiti sensibili, come la sicurezza nazionale, la protezione dei dati finanziari e la privacy delle comunicazioni personali. Tuttavia, la trasmissione a lunga distanza dei qubit non è semplice. Per affrontare questo problema, si stanno compiendo sforzi per sviluppare speciali ripetitori quantistici.
Un altro concetto spesso trattato insieme alla Quantum Communication, ma che in realtà si basa su leggi classiche, è quello della crittografia post-quantistica.
La crittografia post-quantistica si riferisce a un campo emergente della sicurezza informatica progettato per proteggere i dati dalle minacce future rappresentate dai computer quantistici. Questo sistema mira a sviluppare nuovi algoritmi di cifratura utilizzabili sui computer classici che siano resistenti agli attacchi di potenziali computer quantistici, garantendo così la sicurezza e l'integrità dei dati anche nel presente e nel futuro.
Il Quantum computer, proprio per la loro promessa di risolvere problemi complessi a una velocità senza precedenti, pongono infatti un rischio significativo per gli attuali algoritmi crittografici, come quelli basati su RSA – utilizzata ad esempio nei protocolli di comunicazione su Internet e nelle firme digitali – che potrebbero diventare vulnerabili agli attacchi quantistici. Il 13 agosto 2024, il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha ufficialmente rilasciato i suoi primi standard di crittografia post-quantistica.
La crittografia post-quantistica non si pone quindi in contrapposizione alla Quantum Communication, quanto piuttosto in modo complementare, proponendo soluzioni che possano essere utilizzate in modo sinergico.
Quantum Sensing & Metrology
Il Quantum Sensing (o sensori quantistici) e la Quantum Metrology (o metrologia quantistica) sono tecnologie avanzate che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica per effettuare misurazioni estremamente precise, superando di gran lunga le capacità degli strumenti tradizionali.
I sensori quantistici sono strumenti in grado di osservare variazioni nell'ambiente, come variazioni di temperatura, radiazione, accelerazione, tempo (orologi) e campi elettrici o magnetici. A differenza dei sensori classici, questi sensori si basano su fenomeni quantistici, come l'entanglement, per rilevare le variazioni minime in grandezze fisiche come il tempo, i campi magnetici e la temperatura. I sensori quantistici sono anche capaci di una risoluzione estremamente elevata, il che significa che possono misurare strutture minuscole, come il DNA. La Quantum Metrology utilizza sensori quantistici per definire gli standard, come la misurazione del tempo o le misure elettriche.
La necessità di misure così precise è fondamentale in applicazioni critiche, come la navigazione di veicoli autonomi o sottomarini, dove anche piccole deviazioni nelle misurazioni possono portare a errori significativi. Un altro esempio di applicazione è nel campo medico, dove il Quantum Sensing può rivoluzionare l'imaging diagnostico. Ad esempio, i sensori quantistici possono essere utilizzati per creare immagini ad alta risoluzione del cervello, permettendo di rilevare con estrema precisione variazioni nei campi magnetici associati all'attività neuronale. Questo potrebbe portare a diagnosi più accurate di condizioni come l'Alzheimer o l'epilessia, consentendo ai medici di intervenire tempestivamente.
