Come l’informatica quantistica potrebbe cambiare il mondo
La fisica quantistica ha già avuto un impatto significativo sulle nostre vite. Le invenzioni del laser e del transistor sono in effetti una conseguenza della teoria quantistica – e poiché entrambi questi componenti sono un elemento fondamentale di ogni dispositivo elettronico oggi in circolazione, ciò a cui stai assistendo è fondamentalmente “meccanica quantistica in azione”.
Detto questo, l’industria quantistica è ora pronta a rivoluzionare il mondo dei computer poiché vengono compiuti sforzi sostanziali per sfruttare la vera potenza del regno quantistico. L’informatica quantistica potrebbe trovare applicazioni in diversi settori come la sicurezza, la sanità, l’energia e persino l’industria dell’intrattenimento.
Computer quantistici contro computer classici
La storia della teoria quantistica risale a oltre un secolo. Tuttavia, l’attuale clamore quantistico è dovuto ai recenti risultati della ricerca che suggeriscono che l’incertezza, una proprietà intrinseca delle particelle quantistiche, può fungere da arma potente per realizzare il potenziale quantistico.
Come afferma la teoria, è apparentemente impossibile conoscere ogni singola proprietà delle singole particelle quantistiche (cioè elettroni o fotoni). Considera un esempio di un GPS classico, in cui può prevedere con precisione la velocità, la posizione e la direzione del tuo movimento mentre arrivi alla destinazione desiderata.
Tuttavia, un GPS quantistico non può determinare con precisione tutte le proprietà di cui sopra per una particella quantistica poiché le leggi della fisica quantistica non consentono di farlo. Questo dà origine a un linguaggio probabilistico nel mondo quantistico piuttosto che al linguaggio classico della certezza.
In questo caso, il linguaggio probabilistico implica l’assegnazione di probabilità a diverse proprietà delle particelle quantistiche come velocità, posizione e direzione del movimento che sono apparentemente difficili da stabilire con certezza. Questa natura probabilistica delle particelle quantistiche dà origine a una possibilità che consente a qualsiasi cosa di accadere in qualsiasi istante di tempo.
Alla luce dell’informatica, gli 0 e gli 1 binari rappresentati come qubit (bit quantici) possiedono la proprietà di essere 1 o 0 in qualsiasi istante.
La rappresentazione di cui sopra lascia l’amaro in bocca poiché nelle macchine classiche gli 0 e gli 1 sono legati ad interruttori e circuiti che si accendono e si spengono in istanti diversi. Quindi, non conoscere il loro stato esatto (cioè acceso o spento) non sembrerebbe sensato nel contesto informatico.
In un certo senso, potrebbe causare errori di calcolo. Tuttavia, l’elaborazione delle informazioni nel mondo quantistico si basa sul concetto di incertezza quantistica, in cui la “sovrapposizione” di 0 e 1 non è un bug, ma una caratteristica. Consente un’elaborazione dei dati più rapida e facilita una comunicazione più rapida.
All’apice dell’informatica quantistica
La conseguenza della proprietà probabilistica della teoria quantistica è che la copia precisa dell’informazione quantistica è apparentemente impossibile. Dal punto di vista della sicurezza, questo è significativo in quanto i criminali informatici che intendono copiare le chiavi quantistiche per crittografare e inviare messaggi alla fine fallirebbero, anche se avessero accesso ai computer quantistici.
È importante evidenziare qui che tale crittografia di fascia alta (cioè un metodo sofisticato per convertire dati o chiavi segreti in un codice che impedisce l’accesso non autorizzato) è il risultato di leggi fisiche e non degli algoritmi matematici utilizzati oggi. Le crittografie matematiche possono essere decifrate con l’aiuto di potenti computer, tuttavia, decifrare la crittografia quantistica richiede la riscrittura delle leggi fondamentali della fisica.
Poiché la crittografia quantistica differisce dalle attuali tecniche di crittografia, allo stesso modo i computer quantistici differiscono da quelli classici a un livello molto fondamentale. Considera un’analogia tra un’auto e un carro trainato da buoi. Qui, un’auto obbedisce a determinate leggi della fisica che ti portano alla destinazione desiderata in tempi rapidi rispetto alla controparte. La stessa filosofia si applica a un computer quantistico ea un computer classico.
Un computer quantistico sfrutta la natura probabilistica della fisica quantistica per eseguire calcoli ed elaborare i dati in un modo unico. Può svolgere compiti di calcolo a un ritmo molto più veloce e anche fare un salto in concetti tradizionalmente impossibili come quello del teletrasporto quantistico. Questa forma di trasmissione dei dati potrebbe aprire la strada all’Internet del futuro, ovvero l’Internet quantistico.
Per cosa potrebbe essere utilizzato un computer quantistico oggi?
I computer quantistici potrebbero essere utili per le organizzazioni di ricerca e sviluppo, le autorità governative e le istituzioni accademiche in quanto potrebbero aiutare a risolvere problemi complessi che i computer attuali trovano difficile da affrontare.
Un’applicazione significativa potrebbe essere nello sviluppo di farmaci, in cui potrebbe simulare e analizzare senza soluzione di continuità sostanze chimiche e molecole poiché le molecole funzionano secondo le stesse leggi della fisica quantistica dei computer quantistici. Inoltre, un’efficace simulazione della chimica quantistica potrebbe essere possibile poiché i supercomputer più veloci oggi non riescono a raggiungere l’obiettivo.
Inoltre, i computer quantistici potrebbero risolvere problemi di ottimizzazione complessi e aiutare nella ricerca rapida di dati non ordinati. Ci sono numerose applicazioni in questo senso che vanno dall’ordinamento di dati climatici, sanitari o finanziari apparentemente dinamici, all’ottimizzazione della logistica o del flusso di traffico.
I computer quantistici sono anche bravi a riconoscere modelli nei dati come nei problemi di apprendimento automatico. Inoltre, i computer quantistici potrebbero svolgere un ruolo cruciale nello sviluppo di modelli per prevedere il futuro, come nelle previsioni meteorologiche.
Prepararsi per il futuro quantistico
Mentre la corsa per un futuro quantistico è al centro della scena, gli investitori e gli enti governativi stanno alimentando miliardi di dollari in ricerca e sviluppo quantistici. È già stata implementata una rete di comunicazione globale che utilizza la distribuzione di chiavi quantistiche via satellite, aprendo la strada a ulteriori sviluppi.
Aziende come Google, Amazon, Microsoft, IBM e altre stanno facendo ingenti investimenti nello sviluppo di risorse informatiche quantistiche, ovvero hardware e software.
Secondo Cosmos , un team di ricercatori in Cina ha costruito un computer quantistico che ha completato un calcolo complesso in poco più di 60 minuti che avrebbe richiesto almeno 8 anni o più per il completamento di un computer classico.
È un punto culminante degli sviluppi dell’informatica quantistica che hanno avuto luogo negli ultimi due anni. Si ritiene che la comunità scientifica abbia finalmente raggiunto l’elusivo “vantaggio quantistico” – in cui l’informatica quantistica è in grado di risolvere il problema più sofisticato che l’informatica classica potrebbe letteralmente impiegare poco tempo a capire.
Il traguardo quantistico è stato raggiunto per la prima volta da Google nel 2019, dove hanno utilizzato qubit che utilizzavano la corrente per eseguire calcoli. Più tardi nel 2020, il team cinese ha utilizzato i qubit fotonici per accelerare il processo. Ora, nel 2021, un altro team cinese (guidato da Jian-Wei Pan presso l’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina a Shanghai) ha nuovamente superato Google.
In un documento di ricerca pubblicato sul server di prestampa ArXiv , il team di ricerca che ha contribuito ha rivelato le proprie scoperte per il vantaggio quantistico in cui hanno utilizzato qubit superconduttori su un processore quantistico chiamato Zuchongzhi che consiste di 66 qubit. Il team ha dimostrato che Zuchongzhi era in grado di manipolare 56 qubit per gestire un problema computazionale che mirava a testare la potenza dei computer.
Abbracciare l’incertezza
Il rapido sviluppo nel mondo della tecnologia quantistica negli ultimi cinque anni è stato piuttosto entusiasmante. Secondo The Quantum Daily , l’industria quantistica dovrebbe avere una valutazione multimiliardaria entro la fine del 2030. Tuttavia, ci sono varie sfide pratiche da superare prima di un’implementazione su larga scala, ma il futuro sembra luminoso.
Fortunatamente, la teoria quantistica getta luce sul lato più brillante dell’”imprevedibilità”. Secondo la teoria, due qubit possono essere bloccati l’uno con l’altro con una probabilità che ogni qubit rimanga indeterminato individualmente, ma sia sincronizzato con l’altro se considerato come un’unità, il che implica che entrambi sono 0 o 1.
Questa imprevedibilità individuale e la certezza combinata sono chiamate “entanglement” – uno strumento utile per la maggior parte degli algoritmi di calcolo quantistico di oggi. Quindi, gestendo l’incertezza con cautela, le organizzazioni possono prepararsi per abbracciare il futuro quantistico.
