Il computer quantistico utilizza qubit (Quantum Bit, cioè bit quantistici) al posto dei classici bit utilizzati nei computer tradizionali. Le potenzialità sono infinite ma anche le preoccupazioni. Vediamo perché.

L’informatica sta cambiando. Definitivamente.

Un computer quantistico è il geniale frutto dell’applicazione delle conoscenze della fisica quantistica al mondo informatico e sta letteralmente rivoluzionando il concetto di elaborazione binaria. No, non si tratta di fantascienza, ma di una realtà che supera l’immaginazione e in grado di cambiare il mondo così come lo conosciamo. Le possibilità sono estreme, soprattutto se in associazione con la potenza dell’intelligenza artificiale, oggi già molto avanzata.

Delle possibilità dell’intelligenza artificiale vi ho già parlato in questo articolo “IA: speranza per il futuro?“. Vi invito a rileggerlo.

I computer quantistici ci stanno spingendo verso un mondo in cui enormi quantità di dati possono essere elaborate in tempi e modi che nemmeno possiamo immaginare. Basteranno pochi secondi per effettuare calcoli che, con l’informatica tradizionale, richiederebbero anni.

Il computer quantistico

I computer quantistici sono la nuova frontiera dell’informatica, e utilizzano le leggi quantistiche per elaborare informazioni in modo molto più veloce e potente rispetto ai computer tradizionali.

Utilizza come unità di elaborazione più piccola particelle subatomiche chiamate qubit al posto dei tradizionali “bit” usati dai computer classici.

Un computer quantistico sfrutta due principi della fisica quantistica per elaborare più informazioni contemporaneamente. Paliamo di:

• sovrapposizione quantistica, per la quale un qubit può essere simultaneamente nello stato di 0, 1.
• entanglement, che consente a due particelle di essere strettamente connesse in modo che qualsiasi azione su una particella influenzi l’altra.

Queste caratteristiche, certamente non facili da comprendere, consentono ai computer quantistici di lavorare su più problemi contemporaneamente e di risolvere problemi complessi più velocemente di un computer classico. Sono particolarmente utili in ambiti come la crittografia, la simulazione di sistemi complessi e la ricerca scientifica.

Per questo motivo vi è una nutrita schiera di grandi aziende tecnologiche come IBM, Google e Microsoft, così come da istituti di ricerca universitari e governativi che si occupano del loro sviluppo. La loro costruzione è molto complessa e richiede una grande quantità di risorse, sia in termini di tempo che di denaro.

Rappresentazione di un qubit in un computer quantistico

Nel mondo dei computer tradizionali la più piccola quantità di informazioni identificabile è il bit, che può assumere solo uno di due possibili stati alla volta: 0 (zero) e 1. Parliamo di stato binario.

Nel mondo del calcolo quantistico continua a valere la rappresentazione binaria tra 0 e 1 ma un qubit potrà assumere anche un terzo stato, dato dalla sovrapposizione quantistica pari a 0 e 1, con una determinata probabilità che si tratti di uno 0 e una determinata probabilità che si tratti di un 1.

Questa combinazione lineare di stati è chiamata superposizione.

I due stati di base di un qubit si indicano di solito con i simboli |0> e |1>. Lo spazio degli stati di un qubit è uno spazio bidimensionale complesso detto spazio di Hilbert. Un qubit è rappresentato da un vettore di dimensione 2 e modulo 1.

Ma allora, come leggere lo stato trasportato da un qubit?

Nella meccanica classica una misura non altera lo stato dell’oggetto misurato, cioè la misura non ha effetti sul sistema. Ma, nel mondo quantistico, la misura di uno stato di superposizione disturba il sistema quantistico al punto da rendere impossibile qualsiasi tipo di misurazione. Pertanto, non si può leggere in modo diretto il valore ma è soltanto possibile misurare il suo stato e trarne una probabilità.

Per farlo, possiamo utilizzare, per esempio:

• due diverse polarizzazioni di un fotone (un fotone è la particella associata alla luce) oppure
• l’allineamento nucleare dello spin (il momento angolare) in un campo magnetico uniforme.

Il calcolo quantistico

Ma come si opera con i qubit? Che tipo di elaborazioni posso eseguire?

Le operazioni con i qubit sono effettuate mediante l’uso di porte quantistiche o “gate quantistici”, che sono l’equivalente delle porte logiche utilizzate nei computer classici. Sono operatori matriciali unitari che agiscono sui qubit, modificandone lo stato quantistico.

Tuttavia, ci sono anche alcune sfide nell’elaborazione di dati quantistici. I qubit sono molto sensibili all’ambiente esterno e possono facilmente decadere o diventare instabili. Inoltre, leggere il risultato di un’operazione quantistica senza distruggere lo stato quantistico è un’operazione delicata e complessa.

Le porte quantistiche vengono utilizzate in combinazione con la sovrapposizione di stati quantistici per creare circuiti quantistici che eseguono calcoli su più stati in parallelo.

Per esempio, un circuito quantistico può essere costruito utilizzando una combinazione di porte X, Y, Z e H per manipolare i qubit e creare una sequenza di operazioni per risolvere un particolare problema quantistico.

I circuiti quantistici

Le porte logiche quantistiche più comuni includono la porta Hadamard, la porta di Pauli-X, la porta di Pauli-Y e la porta di Pauli-Z:

• una porta X, anche nota come porta di “NOT quantistico”, è uno dei gate quantistici più semplici e fondamentali, e viene utilizzata per invertire lo stato di un qubit, passando da 0 a 1 o da 1 a 0.
• le porte Y e Z eseguono rotazioni di fase intorno agli assi Y e Z del sistema quantistico,
• la porta H (o porta di Hadamard) è utilizzata per creare una sovrapposizione di stati quantistici.

I circuiti quantistici:

• sono rappresentati come diagrammi di flusso, dove le linee rappresentano i qubit e le porte quantistiche sono rappresentate come blocchi che agiscono sui qubit.
• sono letti da sinistra a destra, dove lo stato del qubit viene trasformato mano a mano che il circuito viene eseguito.
• possono essere creati utilizzando linguaggi di programmazione quantistica come Qiskit, Cirq o PyQuil, che permettono di creare e simulare circuiti quantistici su computer classici.

La complessità dei circuiti quantistici aumenta rapidamente con il numero di qubit e la profondità del circuito, il che può rendere difficile eseguire i circuiti sui computer quantistici attuali.

Impatto sulla società moderna

In futuro, i computer quantistici potrebbero avere un impatto significativo sulla società, aprendo la strada a nuove possibilità e soluzioni innovative per molti problemi importanti, ma ci sono anche alcune preoccupazioni, sfide di sicurezza e conseguenze per il lavoro che dovremmo prendere in considerazione.

Opportunità:

• Calcolo più veloce: l’elaborazione quantistica promette di accelerare notevolmente la capacità di calcolo, in particolare per i problemi che richiedono un’enorme quantità di dati e complessità computazionale, come la simulazione di molecole e l’ottimizzazione di algoritmi di apprendimento automatico.
• Nuove scoperte scientifiche: l’elaborazione quantistica potrebbe consentire ai ricercatori di accedere a nuove aree di ricerca scientifica, come lo studio della meccanica quantistica o della chimica computazionale. Ciò potrebbe portare a nuove scoperte e innovazioni che altrimenti non sarebbero possibili.
• Miglioramento della sicurezza: l’elaborazione quantistica potrebbe portare a nuove tecniche di crittografia che rendono le comunicazioni più sicure e resistenti alle violazioni.

Preoccupazioni:

• Complessità dell’hardware: l’elaborazione quantistica richiede hardware estremamente complesso, che può essere costoso e difficile da costruire e mantenere.
• Vulnerabilità della sicurezza: l’elaborazione quantistica potrebbe rendere vulnerabili molte tecnologie di crittografia attuali. Ciò potrebbe comportare rischi per la sicurezza nazionale e la privacy dei dati.
• Disuguaglianza economica: l’elaborazione quantistica richiede investimenti costosi e risorse specializzate. Ciò potrebbe portare a disuguaglianze economiche tra le nazioni e all’interno delle nazioni.

Sicurezza:

• L’elaborazione quantistica potrebbe portare a una maggiore sicurezza in alcune aree, come la crittografia e la simulazione di molecole per la ricerca farmaceutica. Tuttavia, ci sono anche preoccupazioni per la sicurezza, come la possibilità di un attacco informatico quantistico che potrebbe mettere a rischio le informazioni sensibili.
• Per gestire queste preoccupazioni, è necessario sviluppare nuovi algoritmi di sicurezza resistenti alla computazione quantistica, oltre a creare protocolli di sicurezza robusti e meccanismi di protezione delle informazioni.

Lavoro:

• L’elaborazione quantistica potrebbe avere un impatto significativo sui lavori esistenti, in particolare quelli che coinvolgono il calcolo intensivo. Allo stesso tempo, l’elaborazione quantistica potrebbe creare nuovi lavori specializzati in questa tecnologia.
• Per mitigare gli effetti negativi sulla forza lavoro, è necessario sviluppare nuove competenze e opportunità di formazione, nonché garantire che le persone che hanno già lavorato nell’ambito del calcolo intensivo abbiano accesso a nuove opportunità di lavoro.