La realizzazione del primo computer europeo con accelerazione quantistica è tra i progetti ambiziosi del Digital Compass, il documento che indica le azioni più importanti da intraprendere per la innovazione e digitalizzazione della UE. Si tratta di un punto importante e critico lungo la roadmap che, nei prossimi dieci anni, dovrebbe portare l’Europa a competere con i grandi player dell’informatica quantistica.
I primi investimenti sono stati deliberati: tramite la Quantum Flagship Initiative, la Commissione Europea ha stanziato un miliardo di euro per espandere la ricerca, dare un impulso all’industria delle tecnologie quantistiche e rendere l’Europa un centro di attrazione per gli investimenti e lo sviluppo nel settore, in un momento in cui negli Stati Uniti iniziano a emergere le prime proposte commerciali. Anche se il percorso è lungo, nuovi traguardi nel Quantum Computing vengono annunciati continuamente, e l’attenzione verso il settore non accenna a ridursi.
In che modo, quindi, i computer quantistici saranno diversi da quelli tradizionali, e quali applicazioni pratiche potranno avere?
Che cosa sono i computer quantistici?
L’unità di informazione basilare su cui funzionano i computer classici è il bit, che può avere solo due valori: 0 o 1. Lo sviluppo dell’elettronica negli ultimi decenni ha permesso di concentrare un numero crescente di bit – e quindi di informazioni e capacità di calcolo – all’interno di processori sempre più piccoli, composti da transistors che hanno di recente raggiunto dimensioni inferiori a quelle di un filamento di DNA. Nonostante la scala microscopica su cui si muovono, le tecnologie attuali restano tuttavia limitate dalla natura esclusivamente binaria del bit. Per esplorare nuove potenze di calcolo, la ricerca guarda oggi al bit quantistico: il qubit.
Fu il fisico Richard Feynman, nel 1983, a ipotizzare l’utilizzo delle proprietà quantistiche nella computazione. Grazie alla fisica quantistica, sappiamo che le particelle subatomiche – per esempio elettroni e fotoni – seguono regole diverse da quelle della materia macroscopica. I qubits sono particelle rispondenti al principio di “sovrapposizione”, in base al quale possono essere in uno stato 0 o 1 oppure una combinazione lineare di 1 e 0. I qubits possono trovarsi inoltre in una condizione di entanglement: essere cioè legati tra di loro in un modo tale che l’osservazione di una singola particella può fornire informazioni su tutte le altre particelle ad essa connesse.
Là dove un computer classico trasforma le informazioni in sequenze di 0/1 sulle quali esegue operazioni, un computer quantico trasforma la memoria in qubits: particelle i cui stati quantici possono a) essere sovrapposti (esistere contemporaneamente, con probabilità diverse), b) essere in condizione di entanglement (essere cioè legati fra loro in modo tale che l’osservazione di un singolo qubit fornisce informazioni su tutte le altre particelle ad esso connesse).
Un computer quantico può quindi esplorare più variabili in maniera parallela, riducendo drasticamente i tempi necessari a risolvere operazioni che non sarebbero fattibili con un computer tradizionale.
Computer quantistici e Big Data: le applicazioni
I computer quantistici saranno in grado di manipolare, contemporaneamente, enormi quantità di informazioni relative a tanti stati diversi: sono per questo considerati la nuova frontiera per tutte quelle applicazioni per le quali la qualità dei risultati è direttamente proporzionale al volume dei dati processati per ottenerli.
Le performance delle intelligenze artificiali, per esempio, dipendono strettamente dalla possibilità di analizzare e lavorare grandi dataset, alla ricerca di modelli e schemi ricorrenti.
In particolare la capacità dei computer quantistici di valutare più opzioni in parallelo e simultaneamente incrementerà gli ambiti e la potenza di analisi predittive, e consentirà di costruire modelli predittivi più accurati, perché basati su dataset molto più ricchi di quelli che possiamo utilizzare oggi.
Computer quantistici per le aziende
La ricerca sui computer quantistici si sta intensificando, come dimostra una lunga serie di risultati raggiunti negli ultimi anni.
Nel 2019, Google ha annunciato di aver raggiunto la “supremazia quantistica” grazie alla creazione di Sycamore, un processore da 53 qubit che avrebbe svolto in 3 minuti e 20 secondi un calcolo estremamente complesso, impossibile da svolgere per un supercomputer tradizionale.
Due anni più tardi, nel luglio del 2021, la Cina ha annunciato di aver creato un prototipo da 56 qubit, probabilmente il processore quantistico più potente fino ad ora costruito.
La IBM ha seguito un percorso di democratizzazione e allo stesso tempo di commercializzazione del Quantum Computing: a partire dal 2016, tramite la IBM Quantum Experience, ha iniziato a offrire a chiunque la possibilità di programmare e testare applicativi su processori quantistici; nel 2019 ha lanciato sul mercato l’IBM Q System One, il primo computer quantistico commerciale sfruttabile tramite il cloud dalle aziende private.
In Italia, un gruppo di ricercatori del CNR/INFN, guidato da Enrico Prati, ha sviluppato un modello di computer quantico in grado di essere addestrato, andando oltre modelli sviluppati da Google.
Come lo useranno? Per quanto siano ancora lontani dall’infallibilità e quindi difficili da impiegare su larga scala, i computer quantistici promettono una rivoluzione trasversale in numerosi settori.
Nell’informatica, i computer quantistici saranno in grado di rilevare anomalie statistiche, riconoscere immagini e schemi, addestrare reti neurali e classificare dati non strutturati. Quest’ultima applicazione è particolarmente rilevante, perché amplierà le tipologie di dati da cui sarà possibile attingere per generare indicazioni utili.
I possibili impieghi si estenderanno anche al mondo della sicurezza informatica: la crittografia attuale sarà resa obsoleta e fragile dal quantum computing, e avrà bisogno di aggiornarsi a nuovi standard di sicurezza quantistica.
Nel settore chimico e farmaceutico, i computer quantistici velocizzeranno la scoperta di nuovi farmaci e permetteranno di ottimizzare i trattamenti di radioterapia, migliorare le diagnosi dei pazienti e sviluppare farmaci personalizzati sul genoma dei singoli individui. La Microsoft ha già dimostrato come i computer quantistici potranno combattere il problema della sostenibilità ambientale del settore agricolo, aiutando a produrre nuovi fertilizzanti ad alta resa.
Nel mondo dei servizi finanziari, il Quantum Computing permetterà di rilevare le instabilità dei mercati, sviluppare nuove strategie di trading e fare previsioni finanziarie e simulazioni di mercato. Potrà essere utilizzato per ottimizzare i portafogli con investimenti più sicuri e di maggiore rendimento.
Nella logistica e nei trasporti, infine, i computer quantistici consentiranno una gestione intelligente del traffico, daranno una spinta allo sviluppo di veicoli a guida autonoma e permetteranno di raggiungere lo stato dell’arte dell’efficienza energetica dei veicoli ecologici, contribuendo allo sviluppo di materiali e tecnologie energetiche più avanzate.