Quantum computing: superare i limiti della tecnologia 

Tutto iniziò con una conferenza, nel 1981. È qui che Richard Feynman, uno dei fisici teorici più influenti del XX secolo, propose l’idea che i computer classici non sarebbero mai stati in grado di simulare pienamente i sistemi quantistici.

Quindi, suggerì, si potrebbe pensare a un computer in grado di gestire la complessità intrinseca di questi sistemi: il computer quantistico.

La proposta di Feynman pose le basi per il campo del quantum computing, aprendo la strada alla ricerca di dispositivi che potessero sfruttare le proprietà quantistiche per calcoli avanzati.

Cos’è il quantum computing? 

Il quantum computing sfrutta le proprietà quantistiche delle particelle subatomiche per elaborare informazioni. Ci sono due concetti fondamentali della meccanica quantistica alla base del calcolo quantistico: la sovrapposizione e l’entanglement.

Sovrapposizione

Nella computazione tradizionale, i bit sono l’unità fondamentale di informazione e possono esistere in uno stato di 0 o 1. I qubit, invece, possono esistere simultaneamente in entrambi gli stati grazie al fenomeno della sovrapposizione. Questo consente ai computer quantistici di eseguire molteplici calcoli in parallelo.

Grazie alla sovrapposizione, un computer quantistico può esplorare tutte le possibili combinazioni di stati in parallelo. Ad esempio, un sistema con n qubit può rappresentare 2^n stati contemporaneamente, consentendo un numero esponenziale di calcoli.

Invece, i computer classici operano in modo sequenziale. 

Pensiamo a come una simile modalità di calcolo risulti vantaggiosa nella risoluzione di problemi complessi, ad esempio la fattorizzazione di grandi numeri o la simulazione di sistemi molecolari.

Entanglement

L’entanglement è un fenomeno quantistico in cui due o più particelle diventano interdipendenti, in modo tale che lo stato di una particella influisce istantaneamente sullo stato dell’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Questo crea una connessione potentissima che può essere sfruttata per trasferire informazioni.

In sostanza: i qubit possono condividere informazioni istantaneamente, il che permette ai computer quantistici di eseguire operazioni più rapidamente rispetto ai computer classici. Questo fenomeno è particolarmente utile negli algoritmi di ricerca e ottimizzazione, dove la correlazione tra qubit può ridurre drasticamente il numero di calcoli necessari per trovare una soluzione.

Quali problemi potrebbe risolvere un computer quantistico

Veniamo ora alla domanda pratica: a cosa ci serve questo straordinario potenziale di calcolo.

I computer quantistici hanno il potenziale di affrontare alcune delle più grandi sfide sociali del nostro tempo. 

Ad esempio, i computer quantistici possono simulare molecole e reazioni chimiche con una precisione senza precedenti, accelerando così la scoperta di nuovi farmaci. Questo è particolarmente importante per la cura di malattie rare o complesse, dove normalmente servono decenni di ricerca tradizionale.

Un altro uso comune, sempre in ambito medico, è per la personalizzazione dei trattamenti medici e l’ottimizzazione dell’uso di farmaci in base alla necessità, come anche delle risorse energetiche – argomento giustamente di tendenza al momento.

Gli algoritmi quantistici possono anche essere utilizzati per ottimizzare il flusso del traffico urbano, riducendo i tempi di percorrenza, il consumo di carburante e le emissioni di gas serra, oltre che nella gestione e la pianificazione dei trasporti pubblici possono essere ottimizzate con il quantum computing, migliorando l’efficienza e l’affidabilità dei servizi, incoraggiando così l’uso di mezzi di trasporto sostenibili.

Questo tipo di ottimizzazione si applica a diversi altri settori: la produzione agricola, la gestione delle supply chain, la riduzione degli sprechi, ma anche la creazione di nuovi sistemi di crittografia quantistica, che offrirebbero una sicurezza molto maggiore per le comunicazioni e le transazioni online.

Uso dei computer quantistici in economia e finanza

Il quantum computing può essere utilizzato per ottimizzare i portafogli finanziari, migliorando la gestione del rischio e aumentando i rendimenti. 

Oppure, possono migliorare la previsione economica, essendo in grado di analizzare ed elaborare una quantità di dati superiore rispetto ai computer tradizionali.

Applicazione attuale dei computer quantistici: com’è il mercato

In questa serie interessante di possibili applicazioni pratiche, bisogna fare i conti con la realtà, con lo stato del mercato e con gli investimenti pubblici e privati in ricerca e sviluppo.

La vendita dei computer quantistici è limitata e spesso prevede in realtà l’intermediazione dei servizi di cloud computing (vedi l’acronimo Qaas – Quantum as a Service). Aziende come IBM, Google, Amazon e Microsoft offrono accesso ai computer quantistici tramite piattaforme cloud, consentendo a ricercatori e aziende di utilizzare le risorse quantistiche senza acquistare l’hardware fisico.

Principali produttori (ultimo aggiornamento: giugno 2024)

  1. IBM: IBM è uno dei leader di settore, grazie alla sua piattaforma IBM Quantum Experience. Hanno sviluppato vari modelli di computer quantistici, come IBM Q System One, progettato per l’uso commerciale e di ricerca;
  2. Google: Google, tramite il suo progetto Quantum AI, ha realizzato computer quantistici come Sycamore, un processore quantistico a 53 qubit che ha eseguito un’operazione di campionamento in circa 200 secondi, un compito che secondo Google avrebbe impiegato 10.000 anni su un supercomputer classico.
  3. D-Wave Systems: D-Wave è specializzata in quantum annealers e ha prodotto diverse generazioni di computer quantistici, come il D-Wave 2000Q e il D-Wave Advantage utilizzati per risolvere problemi di ottimizzazione.
  4. Rigetti Computing: Rigetti Computing è una startup che sviluppa e fornisce accesso a computer quantistici tramite la propria piattaforma cloud, Forest.
  5. Honeywell: Honeywell ha sviluppato computer quantistici basati su trappole ioniche, realizzando gli H1 Series, che vantano alta fedeltà e tempi di coerenza prolungati.

Cosa prevediamo per il futuro dei computer quantistici

Innanzitutto, va constatato che la maggior parte degli accessi ai computer quantistici avviene tramite servizi cloud, dove gli utenti pagano per l’accesso temporaneo alle risorse quantistiche.

Inoltre, molti computer quantistici sono utilizzati in collaborazioni con istituti di ricerca e università, e alcuni computer quantistici sono stati venduti o forniti in progetti pilota a grandi aziende e enti governativi per esplorare applicazioni specifiche.

Il mercato dei computer quantistici è destinato a crescere significativamente nei prossimi anni, alimentato dai progressi tecnologici e dall’aumento delle applicazioni pratiche. Secondo alcune stime, il mercato del quantum computing potrebbe raggiungere miliardi di dollari entro il prossimo decennio.

Il discrimine principale nella diffusione di mercato dei computer quantistici è la capacità di innovare, con una gestione oculata dell’altissimo consumo energetico che un computer quantistico comporta.

Man mano che la tecnologia avanza, i computer quantistici con un numero maggiore di qubit diventeranno disponibili, e la durata della coerenza dei qubit potrà progredire.

Inoltre, sarà necessario sviluppare delle tecniche di correzione degli errori più efficiente.

Continuare a investire nella ricerca e nello sviluppo di questa tecnologia è essenziale per sfruttarne appieno il potenziale e trasformare radicalmente la nostra capacità di risolvere problemi che oggi sembrano insormontabili. 

Solo con un costante investimento in ricerca e sviluppo possiamo sfruttare le capacità rivoluzionarie di questo sistema di calcolo così potente da essere rivoluzionario.