Quantum computing: cos’è, a cosa serve e come funziona

L’elettronica negli ultimi cinquant’anni (e più) si è sviluppata intorno al silicio e alla sua capacità di agire da semiconduttore. Proprio quest’ultima è il motivo per cui questo materiale è utilizzato nella produzione di processori e altri dispositivi per l’elaborazione logica. Questi si basano sui transistor, sandwich di silicio drogato (ovvero con impurità che ne alterano la struttura cristallina) che permettono alla corrente di fluire all’interno dello strato di mezzo di silicio normalmente isolante quando questo viene stimolato da una carica elettrica.

Attualmente si utilizzano i MOSFET, ovvero strutture in cui si sfrutta l’effetto di campo di una corrente applicata a un gate metallico per far scorrere la corrente da una source (sorgente) a un drain (scarico), per cui applicando una tensione al gate si può far sì che ci sia passaggio di corrente da source a drain. L’ulteriore evoluzione è il FinFET, in cui source e drain hanno una forma che richiama delle pinne (da cui il nome), che permette di ottenere vantaggi significativi in tema di velocità di propagazione del segnale (velocità di switching) e di densità della corrente.

Il problema che il settore sta affrontando attualmente è che per ottenere maggiore velocità e maggiore densità, correlati ed entrambi necessari per ottenere maggiore capacità di calcolo, è necessario ridurre sempre più la dimensione dei gate, misurata in nanometri (attualmente, ad esempio, i gate dei processori AMD con architettura Zen 2 hanno gate di 7 nm). Utilizzando il silicio ci si scontra con dei limiti fisici dettati dalle sue caratteristiche ed è necessario utilizzare materiali differenti (silicato di afnio, biossido di afnio, ossido di zirconio) che però aumentano la complessità e il costo di produzione dei processori.

Il funzionamento dei transistor è realtivamente semplice, ma ha caratteristiche intrinseche che ne limitano le possibilità. Il gate può far passare la corrente (il transistor è acceso) o no (spento) e questo porta all’uso della matematica booleana, molto potente ma limitata a un calcolo alla volta. Se è vero che con i processori multicore è oggi possibile effettuare più calcoli parallelamente, restano comunque dei limiti fisici nella velocità di elaborazione e l’impossibilità di effettuare calcoli complessi considerando numerose alternative concorrenti in tempi ragionevoli.

L’ipotesi è che computer che sfruttino gli effetti della meccanica quantistica per superare queste limitazioni e fare calcoli con più risultati allo stesso tempo (senza dunque seguire un concetto di stretto determinismo) possano portare a miglioramenti sostanziali nelle capacità di calcolo e nelle possibili applicazioni.

Secondo la visione di molti, il quantum computing diventerà necessario quando ci si scontrerà con i limiti fisici degli attuali design e non sarà più possibile ridurre le dimensioni dei transistor, portando il settore dei processori a dover fermare la sua corsa verso una maggiore densità e una maggiore velocità. A quel punto il settore dovrà per forza di cose trovare alternative, che alcuni individuano nel grafene o in altri materiali dalle caratteristiche di semiconduttore ma in grado di offrire una maggiore efficienza. Tuttavia anche questi nuovi materiali non offrono le stesse potenzialità dei computer quantistici a causa delle modalità di funzionamento di questi ultimi.

Quantum computing: come funziona?

Ci sono due principi fisici fondamentali sottostanti il quantum computing: l’entanglement e la sovrapposizione. I normali computer funzionano con la corrente elettrica: un segnale sopra una certa soglia di tensione rappresenta un 1, sotto tale soglia rappresenta uno 0. I computer quantistici usano invece particelle subatomiche come gli elettroni o i fotoni e ne sfruttano alcune caratteristiche come lo spin degli elettroni o la polarizzazione dei fotoni. Tali particelle, insieme al loro stato, sono definite “qubit”, ovvero “quantum bit” (letteralmente “pezzetto di informazione quantistico”).

Una caratteristica di questi stati nel mondo della fisica quantistica è che non sono in alternativa: un qubit può dunque rappresentare sia 0 sia 1 allo stesso tempo. Si tratta di una proprietà che va contro la nostra esperienza quotidiana: una lampadina è accesa o spenta, non entrambe le cose contemporaneamente! La peculiarità del mondo quantistico, però, sta proprio nel fatto che non esiste questa necessità di scelta tra uno stato e l’altro ed è possibile che una particella sia in più stati contemporaneamente.

L’entanglement è invece la proprietà per cui due particelle possono essere messe in correlazione l’una con l’altra in modo tale che abbiano lo stesso stato e un’azione su una si rifletta anche sull’altra. Il meccanismo con cui questa proprietà funziona non è ancora compreso completamente; è famosa la descrizione di Einstein, che affermò come questa proprietà portasse a una “inquietante azione a distanza”: teoricamente è infatti possibile influenzare lo stato di una particella e vedere la particella correlata cambiare stato qualunque sia la distanza che le separa.

Queste due proprietà sono alla base dei computer quantistici perché permettono teoricamente di superare i limiti dei processori tradizionali e di effettuare calcoli altrimenti non eseguibili, ad esempio per l’eccessivo tempo richiesto per completarli. La supremazia quantistica è la proprietà per cui i computer quantistici sono in grado di effettuare calcoli non possibili con i computer tradizionali; non c’è ancora una dimostrazione pratica di tale proprietà.

Esiste però anche un limite: si chiama decoerenza quantistica ed è il processo per cui viene persa l’associazione tra le particelle, almeno apparentemente. L’informazione non viene quindi più mantenuta dal sistema. Ciò avviene a causa dell’interazione tra lo stato quantistico del sistema e quello dell’ambiente. Questo è il motivo principale per cui i computer quantistici vengono tenuti quanto più possibile isolati dal resto del mondo a temperature estremamente basse, quanto più possibile vicine allo zero assoluto. La decoerenza fa sì che siano necessari migliaia di qubit per creare un singolo qubit utilizzabile per i calcoli in maniera affidabile (definito “qubit logico”).

Quantum computing: a cosa serve?
Nonostante non siano ben comprese, l’uso delle proprietà di entanglement e sovrapposizione insieme è vitale per i computer quantistici. Grazie alla sovrapposizione è possibile tenere conto di tutti i possibili valori all’interno di un calcolo o, ad esempio, di tutte le possibili decisioni. Immaginiamo infatti di avere una strada con diversi bivi, con la strada di destra reppresentata da un 1 e la strada di sinistra rappresentata da uno 0. Se potessimo scegliere contemporaneamente sia destra che sinistra avremmo percorso, alla fine, tutte le possibili combinazioni (e preso tutte le possibili decisioni): questo è quanto avviene con i qubit, dato che possono assumere valori pari sia a 0 che a 1 contemporaneamente.

Ciò avviene per via delle proprietà di entanglement e sovrapposizione: la sovrapposizione permette di seguire tutte le possibili strade, mentre l’entanglement fa sì che sia possibile collegare più qubit tra loro da un lato per evitare errori causati dalla decoerenza e, dall’altro, per diffondere i risultati dei calcoli e velocizzarli.

Un esempio tipico di algoritmo che non è possibile calcolare con i computer normali, ma che si suppone essere calcolabile con i computer quantistici, è quello che risolve il cosiddetto problema del commesso viaggiatore. Tale problema chiede di trovare il percorso più breve tra tutti quelli possibili tale per cui il commesso viaggiatore riesce a visitare tutti i luoghi in cui deve andare senza passare mai due volte per lo stesso punto e ritornando alla fine al punto di partenza. La difficoltà sta nel fatto che bisogna considerare tutte le alternative possibili allo stesso tempo: non esiste un computer tradizionale potente a sufficienza per problemi di grande portata!

Non basta, infatti, considerare esempi di portata piccola o media, ma tutti i possibili problemi qualunque sia la loro dimensione. Questo è proprio il campo in cui i computer quantistici possono essere particolarmente utili poiché i computer tradizionali possono essere efficaci con problemi di piccola dimensione, ma con la loro crescita viene resa impossibile la ricerca di una soluzione in tempi ragionevoli. Problemi come la fattorizzazione in numeri primi di interi di grandi dimensioni o la simulazione del comportamento di atomi e molecole sono risolti in tempi molto più brevi con i computer quantistici.

In generale è possibile sfruttare il quantum computing in molti modi. La ricerca attualmente si sta concentrando prevalentemente sui problemi di ottimizzazione, ma ci sono possibili applicazioni anche nel campo della chimica (ad esempio modellizzazione di composti chimici per la creazione di farmaci).

Uno dei timori è che la disponibilità su vasta scala di computer quantistici possa portare a rischi di sicurezza: grazie alle caratteristiche dei computer quantistici potrebbe infatti essere possibile calcolare in poco tempo le chiavi crittografiche che proteggono i dati. Sono tuttavia già presenti algoritmi che sono “resistenti” ai computer quantistici e che faranno sì che sia comunque possibile garantire la sicurezza dei dati.

A che punto è il quantum computing?
Quantum computer

Il quantum computing è nato a livello teorico negli anni ’80, quando Paul Benioff teorizzò la possibilità di applicare la meccanica quantistica ai computer per creare una macchina di Turing quantistica. Una macchina di Turing è, semplificando, un’astrazione di un computer in grado di svolgere operazioni matematiche senza limiti di memoria e di potenza di calcolo ma limitando a la propria azione a un’operazione alla volta. Dalla concezione da parte di Benioff l’evoluzione dei computer quantistici è stata costante, con prima applicazioni teoriche come l’algoritmo di Shor (in grado di scomporre in fattori primi numeri di grandi dimensioni in tempi brevi) e poi applicazioni pratiche nei primi anni 2000. Solo negli ultimi anni, però, sono stati creati computer quantistici utilizzabili per risolvere problemi reali.

L’IBM Q System One è il primo computer quantistico per uso commerciale reso disponibile per l’utilizzo al di fuori dei laboratori di ricerca. IBM lo ha annunciato nel 2019. Attualmente i computer quantistici sono ancora per la stragrande maggioranza relegati a sperimentazioni e sviluppi teorici. Si prevede che ancora per molti anni rimangano inutilizzabili per scopi pratici di largo respiro e potranno essere impiegati solo da enti di ricerca, governi e grandi aziende multinazionali. Non c’è dunque all’orizzonte una diffusione su larga scala di questi sistemi, che richiederanno ancora anni (e più probabilmente decenni) di ricerca prima di poter diventare maggiormente affidabili e meno costosi e, quindi, diffusi.

I computer quantistici sono comunque ancora oggetto di ricerca e le loro effettive possibilità non sono note, così come i loro possibili impieghi pratici. Per il momento la maggior parte degli usi è ipotetica. Le prime applicazioni pratiche stanno mostrando risultati promettenti, ma è ancora troppo presto per dire quale futuro avranno questi computer. Resta comunque improbabile che i computer quantistici vadano a sostituire integralmente quelli tradizionali, che continueranno a evolvere e a soddisfare la maggior parte delle esigenze di calcolo dell’umanità ancora per parecchi decenni.

Quantum computing: cosa aspettarsi in futuro
A causa della necessità di tenere i computer quantistici a temperature prossime allo zero assoluto non è plausibile attendersi che ci sia la stessa diffusione di questi computer così come è avvenuto per quelli con base di silicio. È molto più probabile, invece, che i computer quantistici saranno utilizzati sul modello dei vecchi mainframe: macchine estremamente costose che solo le organizzazioni più grandi possono permettersi, anche e soprattutto per via dei costi di manutenzione molto elevati, con macchine meno potenti (e comunque differenti) che si connettono per dare il via ai calcoli.

Non ci sarà dunque una rivoluzione totale del mondo dell’informatica, almeno non dal punto di vista dei dispositivi che utilizzeremo nella quotidianità. Ci potrà però essere potenzialmente una rivoluzione nel tipo di calcoli che saranno effettuabili e nei risultati raggiungibili e questo potrà avere un impatto forte non solo sull’economia, ma anche sulla società.

L’orizzonte temporale è però piuttosto ampio e ci vorranno diversi anni prima di vedere direttamente i frutti della ricerca nella nostra vita quotidiana. Le potenzialità sono però tali e tante da spingere moltissime aziende e molti governi a investire ingenti risorse nella ricerca.

Al momento il quantum computing è, riprendendo il famoso esempio del gatto di Schroedinger, sia il futuro dell’informatica che un vicolo cieco. Ci vorrebbe un computer quantistico per decidere quale sia!

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