Computer quantistico: cos’è, come funziona e ambiti applicativi

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Risolvere un problema matematico da 9000 anni in 36 microsecondi: questo è il potere di un computer quantistico, dimostrato attraverso il processore fotonico Borealis della Startup canadese Xanadu.

La notizia è stata pubblicata su Nature e risale allo scorso giugno. In termini di cronaca tecnologica riguarda la cosiddetta “supremazia quantistica”, termine coniato nel 2012 da John Preskill docente di Fisica teoretica al California Institute of Technology e che si riferisce alla superiorità di calcolo di un computer quantistico rispetto ai computer tradizionali. Oggi, si parla più specificamente di “vantaggio quantistico”.

Nell’articolo viene spiegato il procedimento seguito per arrivare a questo risultato: i ricercatori di Xanadu, hanno realizzato un computer quantistico che ha usato i fotoni in qualità di Qubit. Questa macchina è considerata piuttosto semplice, rispetto al computer usato un paio di anni fa da Google, che anche segnò un passo in avanti rispetto ai computer tradizionali.

La macchina di Google però ha un limite: per lavorare ha bisogno di una temperatura vicina allo zero assoluto (meno 270 gradi). Il computer quantistico di Xanadu, invece, ha lavorato a temperatura ambiente.

Attualmente, come è evidente, sono già disponibili sistemi basati su pochi qubit ma la sfida della ricerca è sviluppare sistemi di Quantum Computing, o costruire computer quantistici, basati su centinaia o migliaia di qubit, condizione che permetterebbe un vero “salto quantico” nel numero e nella qualità di calcoli che un computer quantistico potrebbe fare.

Sistemi contenenti migliaia di qubit potrebbero comunque arrivare entro un decennio e a giocarsi la partita ci sono IBM, Google, Microsoft, Intel ma anche centri di ricerca come quelli del MIT e di Harvard negli Stati Uniti che si scontrano, quasi al limite di una guerra fredda politica, con i centri di Russia e Cina.

Anche l’Unione Europea ha deciso di assumere un ruolo importante investendo un miliardo di euro nei prossimi dieci anni, grazie al “push” fatto dal fisico italiano Tommaso Calarco, direttore del Centro per le Scienze e Tecnologie Quantistiche Integrate dell’Università di Ulm (in Germania).

All’inizio del 2019, durante il Consumer Electronic Show di Las Vegas, IBM ha annunciato il suo primo computer quantistico disponibile, in cloud, per uso commerciale.

Cos’è un computer quantistico

La definizione di computer quantistico è abbastanza semplice: è un computer che sfrutta le leggi della fisica e della meccanica quantistica per l’elaborazione dei dati sfruttando come unità fondamentale il qubit (a differenza del calcolo elettronico, alla base dei computer come li abbiamo sempre conosciuti, la cui unità fondamentale è invece il bit).

In particolare, i quantum bit hanno alcune proprietà che derivano dalle leggi della fisica quantistica come:

• la sovrapposizione di stati (possono essere contemporaneamente 0 e 1) grazie alla quale si possono fare calcoli paralleli anziché sequenziali come avviene oggi con la capacità computazionale dei computer “tradizionali”;
• l’entanglement, cioè la correlazione (il legame) che c’è tra un qubit ed un altro, aspetto molto importante perché è da qui che deriva una forte accelerazione nel processo di calcolo grazie all’influenza che un qubit può produrre su un altro anche se distante;
• l’interferenza quantistica, che è di fatto l’effetto del primo principio (la sovrapposizione degli stati); l’interferenza quantistica permette di “controllare” la misurazione dei qubit basandosi sulla natura ondulatoria delle particelle (l’interferenza di fatto rappresenta la sovrapposizione di due o più onde e, a seconda che ci sia sovrapposizione o meno tra cresce e ventri – ossia le parti più alte e quelle più basse dell’onda – si possono avere interferenze costruttive, quando creste o ventri coincidono e formano un’onda che è la somma delle onde che si sovrappongono, oppure interferenze distruttive, quando a sovrapporsi sono cresta di un’onda e ventre di un’altra, in questo caso le due onde si annullano a vicenda).

Per comprendere come si è arrivati al computer quantistico bisogna risalire alla miniaturizzazione dei circuiti e alla Legge di Moore: dagli anni ’60 in poi si è assistito ad un progressivo aumento della potenza di calcolo dei computer, aumento che è andato di pari passo con la miniaturizzazione dei circuiti elettronici da cui ne è derivata la famosa Legge di Moore secondo la quale “la complessità di un microcircuito, misurata con il numero di transistor in un chip (processore), e la relativa velocità di calcolo raddoppia ogni 18 mesi”.

Seguendo questa legge – che è diventata nel tempo un vero e proprio parametro di misura e anche guida di obiettivi per i produttori di processori – siamo giunti ad avere microchip integrati, ossia processori che integrano al loro interno una Cpu, una Gpu, un Digital Signal Processing, all’interno dei nostri smartphone.

Una soglia che però oggi ha raggiunto i limiti della meccanica quantistica rendendo molto complesso (quasi impossibile) proseguire il percorso della miniaturizzazione unitamente all’aumento della densità dei transistor. Limite che ha in realtà aperto la strada ad un cambio di paradigma cercando di sfruttare le leggi della fisica quantistica e della meccanica quantistica per raggiungere una potenza di calcolo superiore a quella dei computer basati sul calcolo elettronico senza necessariamente pensare alla miniaturizzazione dei circuiti.

Nasce così l’approccio teorico al computer quantistico che anziché modellato sui bit (binary digit), le unità di informazione che codificano due stati, aperto e chiuso (i cui valori, come accennato sono 1 e 0) di un interruttore, sfrutta quelli che vengono chiamati qubit, le unità dell’informazione quantistica che sono codificati non da 1 o 0 ma dallo stato quantistico in cui si trova una particella o un atomo che può avere contemporaneamente sia il valore 1 sia il valore 0, per altro in una varietà di combinazioni che producono differenti stati quantistici (una particella può essere per 70% allo stato 1 e per il 30% allo stato 0, o 40% e 60%, o 15 e 85…). Una condizione che assume un significato incredibile se si pensa alla progressione matematica: 2 qubit possono avere 4 stati contemporaneamente (cioè una coppia di qubit può trovarsi in qualsiasi sovrapposizione quantistica di 4 stati), 3 qubit possono trovarsi in qualsiasi sovrapposizione di 8 stati (ossia 8 stringhe di tre bit diverse: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 e 111), 4 qubit in sovrapposizione di 16 stati, 8 qubit di 256 stati e via dicendo (in un computer quantistico gli n qubit possono essere in qualsiasi sovrapposizione fino a 2 alla n stati diversi).

Le particelle atomiche e subatomiche, infatti, possono esistere in una sovrapposizione di stati quantistici, situazione che amplia enormemente le possibilità di codifica delle informazioni aprendo la possibilità di sfruttare tale capacità di elaborazione per la risoluzione di problemi estremamente complessi, come quelli alla base dell’Intelligenza Artificiale.

La necessità di un modello computazionale basato sulla fisica quantistica

Calcoli complessi necessitano di molto tempo di elaborazione e devono essere eseguiti in sequenza. La comunità scientifica ha quindi iniziato a chiedersi “perché non eseguirli in parallelo?” come fa il cervello umano?

Nasce così l’approccio teorico al computer quantistico: anziché calcolare con dei bit (binary digit), le unità di informazione che codificano i due stati aperto e chiuso (1 e 0) di un interruttore, si sfruttano quelli che vengono chiamati qubit, le unità dell’informazione quantistica che sono codificati non da 1 o 0 ma dallo stato quantistico in cui si trova una particella o un atomo, che può avere contemporaneamente sia il valore 1 sia il valore 0.

In altre parole, il computer quantistico è in grado di processare  – nello stesso momento, attraverso il calcolo parallelo  – più soluzioni ad un singolo problema anziché svolgere calcoli sequenziali come avviene ora con l’elaborazione elettronica.

Prima di passare a leggere come funziona un computer quantistico potete approfondire ulteriormente il tema con la lettura di questo articolo: “Quantum computing: quando 0 e 1 non bastano più”

Come funziona un computer quantistico

Le criticità che finora hanno rallentato la corsa allo sviluppo di questi sistemi è legata alla manipolazione controllata di atomi e particelle (possibile con pochi qubit ma per elaborazioni complesse servono centinaia e migliaia di qubit), la loro connessione e comunicazione, nonché lo sviluppo di algoritmi adatti al computer quantistico.

Il funzionamento del computer quantistico, come accennato nel primo paragrafo di questo servizio) si basa su due leggi della meccanica quantistica:

– il principio di sovrapposizione dal quale deriva, come abbiamo visto, la possibilità per le particelle di trovarsi contemporaneamente in più stati diversi (e quindi al qubit di poter essere sia 1 sia 0 simultaneamente, finché il suo stato non viene “letto” e quindi codificato). La sovrapposizione di stati, nella fisica quantistica, rappresenta l’esistenza simultanea di tutti gli stati possibili di una particella o un’entità fisica prima della sua misurazione (ciò significa che prima che venga misurato, un qubit può essere sia 0 sia 1). Solo con la misurazione è possibile definire in modo preciso la proprietà del qubit (ed è questo uno degli aspetti più critici che ancora non ha reso il computer quantistico disponibile su larga scala: le particelle sono instabili e la loro misurazione è molto complessa, a cui va aggiunto il fatto che l’instabilità delle particelle genera calore che, ad oggi, può essere controllato solo con avanzati sistemi di raffreddamento per portare i circuiti vicino al cosiddetto zero assoluto oppure utilizzando “ioni intrappolati” o il raffreddamento magnetico – vedi più avanti in questo servizio, ndr): prima che avvenga la misurazione, quindi, gli stati dei qubit co-esistono e possono essere visti come una specie di “nuvola di probabilità”; questa nuvola collasserà e diventerà uno stato definito nel momento in cui verrà misurata (è lo stesso principio forse noto ai più come equazione di Schrödinger, oppure come “l’esperimento del gatto nella scatola”).

– la correlazione quantistica (entanglement) che esprime il vincolo, la correlazione appunto, che c’è tra due particelle o due qubit; secondo questo principio, è possibile conoscere lo stato di una particella (o di un qubit) misurando l’altra con la quale ha il vincolo, processo che “trasportato” nell’informatica si traduce con una accelerazione dei processi di calcolo.

1. Raffreddamento

Seguendo i principi della meccanica quantistica e sfruttando le leggi della fisica quantistica, il computer quantistico sfrutta dunque i qubit per eseguire calcoli complessi in parallelo a una velocità inimmaginabile rispetto a un supercomputer di oggi (impiegando secondi anziché anni). Come accennato, però, ci sono ancora alcuni limiti da superare tra cui la corretta manipolazione delle particelle (che sono volatili e fragili, proprio perché cambiano stato, e potrebbero quindi comportare perdita di dati e informazioni utili al processo di calcolo) nonché lo sviluppo di infrastrutture hardware idonee (oggi il raffreddamento dei sistemi richiede l’elio e le infrastrutture devono essere mantenute in ambienti privi di vibrazioni) e di algoritmi opportunamente sviluppati per il quantum computing.

Per quanto riguarda il funzionamento del computer quantistico da un punto di vista pratico, soprattutto in relazione al raffreddamento, ad oggi ci sono due approcci predominanti:

• il primo, attraverso il raffreddamento dei circuiti vicino al cosiddetto zero assoluto (0 Kelvin, corrispondente a -273,15 gradi Celsius) in modo che funzionino come superconduttori senza resistenze che interferiscano sulla corrente; in questo caso si parla di “punti quantici” per indicare una nanostruttura con materiale semiconduttore inserita in un altro semiconduttore con intervallo di energia più grande;
• il secondo metodo ricorre agli “ioni intrappolati”, un atomo o molecola con una carica elettrica “intrappolati” in campi elettromagnetici e manipolati affinché lo spostamento degli elettroni produca un cambiamento dello stato degli ioni e quindi possa funzionare da qubit.

2. Raffreddamento magnetico

Come accennato, per il funzionamento della tecnologia quantistica, molto “sensibile” al calore, sono generalmente necessarie temperature molto basse vicino allo zero assoluto (circa -273 ° C). La domanda di soluzioni di raffreddamento efficaci è quindi in rapida crescita.

Fino ad oggi (2019) per generare temperature molto basse, vicine allo zero assoluto, per poter fare ricerca ed esperimenti nel campo della fisica quantistica (così come nell’ambito del quantum computing) era necessario ricorrere a sostante costose come i gas liquefatti (ne è un esempio l’isotopo elio-3).

Un team di ricercatori della TUM (Technical University of Munich) ha recentemente sviluppato un sistema di raffreddamento magnetico per temperature estremamente basse, adatto per l’elettronica quantistica.

I ricercatori del TUM Alexander Regnat, Jan Spallek, Tomek Schulz e il prof. Christian Pfleiderer, hanno messo a punto un prototipo (in realtà già commercializzato da Kiutra, la startup che è nata come spin-off universitario) per il raffreddamento magnetico che permette di raggiungere temperature prossime allo zero assoluto senza utilizzare il costoso e raro elio-3.

I concetti per il raffreddamento magnetico permanente sono in circolazione da molti anni. “Tuttavia, l’implementazione tecnica è estremamente impegnativa e ciò ha precedentemente impedito lo sviluppo di un prodotto per un uso diffuso”, spiega nella nota stampa rilasciata dall’Università, Tomek Schulz.

“Siamo il primo fornitore commerciale al mondo di un sistema di raffreddamento in grado di raggiungere magneticamente temperature vicine allo zero assoluto (vicino a -273 °C) su base permanente”, afferma Alexander Regnat. “Il nostro grande vantaggio è che non abbiamo bisogno dell’elio-3 costoso. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno è l’elettricità”.

Il raffreddamento magnetico non rappresenta una novità assoluta nel campo della ricerca, quello su cui stanno lavorando i ricercatori è però il raffreddamento magnetico permanente con temperature prossime allo zero assoluto.

3. Computer quantico generalista e “quantum annealer”

Alcuni dei limiti legati al quantum computing di cui abbiamo parlato nei paragrafi precedenti, portano i “puristi” della materia a ritenere i computer quantistici oggi presenti sul mercato (in particolare D-Wave, il sistema scelto dalla NASA e da Google; quest’ultimo lo ha poi immesso sul mercato nel 2013 pubblicizzandolo come “primo computer quantico pubblico e commerciale al mondo”, anche se la D-Wave Systems ne aveva già sviluppati altri in paio di anni prima) non dei veri e propri computer generalisti ma dei cosiddetti “quantum annealer”, computer che sfruttano la fisica quantistica e la meccanica quantistica per problemi di ottimizzazione combinatoria (cioè computer che devono essere ottimizzati al massimo affinché possano affrontare adeguatamente lo specifico problema da risolvere).

Di fatto, i quantum annealer sono sistemi utili per l’ottimizzazione combinatoria (cioè per risolvere problemi trovando la migliore soluzione fra tutte le soluzioni fattibili dove le variabili sono discrete). Sul mercato, in questo senso, sono già disponibili microchip cosiddetti “digital annealer”, si tratta di processori tradizionali ma che si ispirano al funzionamento del quantum computing per abilitare processi di calcolo molto rapidi (anche se siamo ben lontani dal calcolo in parallelo e quindi le prestazioni superiori di un digital annealer rispetto alle normali CPU dipenderebbe in realtà dal processo stesso di elaborazione, cioè da come viene impiegato e per che tipo di calcoli, considerando che CPU moderne, GPU e gpGPU sono già in grado di reggere calcoli massivi).

Esempi e applicazioni del quantum computing

Secondo gli analisti di Gartner, le applicazioni per il calcolo quantistico (quantum computing) saranno ristrette e mirate, poiché il computer quantistico per scopi generali – molto probabilmente – non riuscirà ad essere economicamente accessibile su larga scala (almeno non nel breve periodo).

Tuttavia, la tecnologia ha il potenziale per rivoluzionare determinati settori. Il calcolo quantistico potrebbe consentire scoperte ed essere applicato in moltissimi settori:

• apprendimento automatico: machine learning migliorato grazie a una struttura previsionale più rapida (dovuta al calcolo parallelo). Gli esempi includono macchine di Boltzmann (ossia modelli grafici probabilistici), macchine di Boltzmann quantistiche, apprendimento semi-supervisionato, apprendimento non supervisionato e apprendimento profondo (Deep Learning);
• intelligenza artificiale: calcoli più veloci potrebbero migliorare la percezione, la comprensione e la diagnosi dei guasti del circuito/classificatori binari;
• chimica: nuovi fertilizzanti, catalizzatori, prodotti chimici per batterie apporteranno enormi miglioramenti nell’utilizzo delle risorse;
• biochimica: nuovi farmaci, farmaci su misura, medicina personalizzata;
• finanza: il calcolo quantistico potrebbe consentire le cosiddette “simulazioni Monte Carlo” più rapide e complesse; ad esempio nell’ambito del trading, ottimizzazione delle “traiettorie”, instabilità del mercato, ottimizzazione dei prezzi e strategie di copertura;
• medicina e salute: il sequenziamento del gene del DNA, come l’ottimizzazione del trattamento con radioterapia / il rilevamento del tumore al cervello, potrebbero essere eseguiti in pochi secondi anziché in ore o settimane.
• materiali: materiali super resistenti; vernici anticorrosive; lubrificanti; semiconduttori… la ricerca potrebbe essere di molto accelerata grazie a calcoli super veloci;
• informatica: funzioni di ricerca multidimensionale più veloci; ad esempio, ottimizzazione delle query, calcoli matematici e simulazioni.

Cyber security e crittografia nel computer quantistico

Molti ricercatori, negli ultimi anni, hanno dimostrato come il calcolo quantistico (quantum computing) potrebbe mettere a rischio ed indebolire in modo significativo gli attuali sistemi di crittografia.

Secondo gli analisti di Gartner, se ciò fosse vero, a rischio ci sarebbe qualsiasi attività commerciale che basa la propria sicurezza e la protezione dei propri dati sulla crittografia. Se un computer quantistico sufficientemente potente diventa disponibile entro i prossimi 10 anni, potrebbe significare che tutti i dati che sono stati pubblicati potrebbero essere soggetti a crittoanalisi da un futuro computer quantistico.

In realtà, come vedremo nei paragrafi successivi, la ricerca sta facendo passi da gigante anche sul tema della sicurezza, in particolare di quella cosiddetta post quantistica (Quantum-Safe Cryptography). Va anche detto che la maggior parte dei professionisti della sicurezza ipotizza che il quantum computing alla fine renderà inutile la crittografia RSA e l’ECC, ma non sarà in grado di contrastare efficacemente la crittografia con hash, codice, reticolo o equazioni multivariate quadratiche.

I sistemi crittografici a chiave simmetrica come Advanced Encryption Standard (AES), SNOW 3G, 3GPP e Kerberos sembrano già oggi resistenti a un attacco perpetrato attraverso quantum computing se si impiegano chiavi crittografiche di dimensioni sufficientemente grandi.

Quantum-Safe Cryptography

Quando si parla di Quantum-safe (o crittografia post quantistica) ci si riferisce a schemi di crittografia che possono essere eseguiti da un comune computer (anche un telefonino) ma che hanno una livello tale di sicurezza dall’essere al riparo anche da attacchi provenienti da un computer quantistico.

L’esigenza di un così elevato livello di protezione nasce proprio dall’avanzamento tecnologico dei computer quantistici, oggi capaci di risolvere complessi problemi matematici che sono alla base della sicurezza informatica con la quale oggi vengono protetti i protocolli di comunicazione e le informazioni che transitano sulla Rete.

Oggi uno dei protocolli di crittografia più sicuri è quello chiamato RSA (algoritmo di crittografia asimmetrica il cui acronimo deriva dai nomi degli inventori: Ronald Rivest, Adi Shamir e Leonard Adleman), sistema di crittografia che si basa sull’esistenza di due chiavi distinte, che vengono usate per cifrare e decifrare, e che si basa sulla difficoltà di fattorizzare numeri di 2048 cifre (ossia chiavi binarie di 2048 bit), problema matematico che richiede anni per poter essere risolto. O meglio, che richiede anni attraverso l’uso di un comune computer ma che, attraverso la potenza di un computer quantistico, potrebbe essere risolto in poche ore.

Ad ogni modo, esistono già oggi, diversi tipi di crittografia post quantistica la cui differenza dipende dal “tipo di matematica” che sottende i protocolli.

Velocità e sicurezza del computer quantistico

I computer quantistici possono essere il game changer quando si parla di sicurezza dei dati. Dmitry Fedyanin, ricercatore senior presso l’Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca (MIPT), ritiene che una Internet ad alta velocità quantistica sarà in grado di mantenere i dati al sicuro.

Fedyanin ha detto che il modello di comunicazione classico condivide le informazioni su internet utilizzando (tramite fibra ottica) un trasmettitore e un ricevitore. I segnali elettrici vengono convertiti in bit ottici e poi di nuovo in bit elettrici. Lungo il flusso (composto da dati che si alternano tra uno e zero), i segnali possono essere intercettati.

Fedyanin immagina che la nascita definitiva di un computer quantistico è decisamente probabile, in quanto mancano affatto le aziende interessate a portare avanti lo sviluppo di queste tecnologie, da IBM a Google. “Possiamo essere molto lontani dal debutto del computer (quantico) stesso”, ha riconosciuto Fedyanin , “ma il cambiamento avverrà in un colpo solo”.

“L’idea è che se qualcuno costruisce un computer quantistico, può risolvere i problemi matematici (su cui si basa l’attuale crittografia) quasi immediatamente… a causa di questo, tutte le comunicazioni classiche diverrebbero insicure,” ha detto Fedyanin. “Per superare questo problema, abbiamo bisogno della cosiddetta comunicazione quantistica.”

I fotoni alla base della comunicazione quantistica

Alla base del concetto di comunicazione quantistica c’è il fotone, ossia un quanto di luce, che può essere usato per trasportare stringhe di bit di informazioni (codificate in quei fotoni) tra le parti. Il team di ricerca di Mosca ha trovato qualche speranza nel carburo di silicio, che è stato utilizzato nei semiconduttori e può essere utilizzato per emettere fotoni.

Ma, ha avvertito Fedyanin, “abbiamo bisogno di trasmettere un solo fotone”. Un solo fotone per portare i dati è fondamentale  poiché se ce ne fossero di più si potrebbero catturare e decodificare per ottenere una copia dei dati.

A causa delle caratteristiche della fisica quantistica, i singoli fotoni non possono essere copiati o intercettati senza che le parti su entrambi i lati della comunicazione se ne accorgano. In un cenno alle linee di comunicazione one-to-many, Fedyanin ha detto che la comunicazione quantistica può essere trasferita da un nodo a qualsiasi numero di altri nodi.

L’articolo completo tradotto in italiano è disponibile sul blog Medium di VISIONARI

Crittografia quantistica satellitare

Recentemente la Cina ha annunciato di avere rilasciato online il più grande network a chiave quantistica.

Le chiavi quantistiche sono lunghe stringhe di numeri  –  chiavi per aprire file crittografati proprio come quelle utilizzate nei computer moderni  –  ma sono codificate tramite lo stato fisico delle particelle quantistiche. Ciò significa che sono protetti non solo dai limiti del computer, ma anche dalle leggi della fisica.  Le chiavi quantistiche non possono essere copiate. Possono crittografare le trasmissioni tra computer classici e nessuno può rubarle senza che il mittente o il destinatario se ne accorgano  (una legge della meccanica quantistica afferma che, una volta osservata una particella subatomica, il suo stato viene alterato).

A fine 2017, i ricercatori cinesi hanno criptato quantisticamente delle immagini codificandole come stringhe di numeri basate sugli stati quantistici dei fotoni, e le hanno inviate attraverso distanze fino a 4.722 miglia (7.600 km) tra Pechino e Vienna  – infrangendo il precedente record di 251 miglia (404 km), anch’esso ottenuto dalla Cina grazie all’utilizzo del satellite cinese Micius, un potente rivelatore e trasmettitore di fotoni.

Computer quantistico più potente

Esistono oggi molti super computer quantistici quantici che possono essere super potenti e fortissimi per avere una velocità di calcolo impressionante. Tuttavia in questo articolo vogliamo elencare i principali mega super computer quantici della storia, per farvi vedere le caratteristiche e potenzialità di questi incredibili strumenti della tecnologia moderna.

Il computer quantistico di IBM

IBM è innegabilmente una delle primissime realtà ad aver investito risorse economiche, “cervelli” e tempo alla ricerca e allo sviluppo del Quantum Computing e alla realizzazione di un computer quantistico generalista e accessibile al pubblico delle aziende. Oggi Big Blue mette in commercio sistemi da 20 qubit (IBM Q “pronti all’uso”) ma pochi giorni fa ha annunciato di essere pronta a mostrare a breve il prototipo dell’IBM Q di prossima generazione con un processore da 50 qubit.

Si tratta di un ulteriore passo avanti nell’ambito dell’evoluzione dell’hardware quantistico ma va sottolineato che IBM è impegnata sul fronte dello sviluppo dell’intero stack tecnologico di informatica quantistica, concentrando le proprie energie su sistemi, software, applicazioni nonché sulla formazione di competenze.

Tre generazioni di sviluppo, da 5 a 16, da 20 a 50 qubit

I progressi hardware più recenti sono il risultato di tre generazioni di sviluppo da quando IBM, per prima, lanciò sul mercato, nel maggio 2016, un computer quantistico funzionante online, permettendo a chiunque di accedervi liberamente. In 18 mesi IBM ha reso disponibili online sistemi da 5 e 16 qubit ad accesso pubblico attraverso la piattaforma IBM Q experience e ha sviluppato un avanzato ecosistema di calcolo quantistico pubblico.

“Nel corso del prossimo anno (leggi 2019), scienziati e ricercatori IBM Q continueranno a lavorare al miglioramento dei dispositivi IBM agendo su diversi aspetti tra cui la qualità dei qubit, la connettività dei circuiti e il tasso di errore operativo, al fine di aumentare la profondità di esecuzione di algoritmi quantistici. Ad esempio, in sei mesi, il team IBM è stato in grado di accrescere i tempi di coerenza del processore da 20 qubit raddoppiandoli rispetto ai sistemi da 5 e 16 qubit a disposizione dei clienti sulla IBM Q experience”, si legge in una nota rilasciata dall’azienda.

I primi sistemi IBM Q online (disponibili all’incirca dalla fine del 2018, inizio 2019) sono dotati di un processore da 20 qubit e presenteranno miglioramenti nella progettazione dei qubit superconduttori, nella connettività e nel packaging. I tempi di coerenza (quantità di tempo disponibile per eseguire calcoli quantistici) si attestano su un valore medio di 90 microsecondi, permettendo di eseguire operazioni quantistiche ad elevato livello di affidabilità.

L’approccio open e il contributo della community di sviluppatori

Come accennato, IBM mira a costruire un solido ecosistema di calcolo quantistico che comprende anche strumenti software open source, applicazioni per sistemi a breve termine e materiali didattici per la comunità quantistica. Ad oggi più di 60.000 utenti hanno eseguito oltre 1,7M esperimenti quantistici e hanno prodotto oltre 35 pubblicazioni scientifiche; le registrazioni al progetto sono arrivate da utenti provenienti da oltre 1500 università, 300 scuole superiori e 300 istituzioni private di tutto il mondo.

Per incrementare questo ecosistema di ricercatori quantistici e lo sviluppo di applicazioni, IBM ha lanciato all’inizio di quest’anno il progetto QISKit (www.qiskit.org), un kit di sviluppo software open source per la programmazione e l’utilizzo di computer quantistici. Il kit continua ad arricchirsi di funzionalità e oggi consente agli utenti di creare programmi di calcolo quantistico ed eseguirli su uno dei veri processori quantistici o simulatori quantistici IBM disponibili online (le ultime funzionalità prevedono per esempio nuovi strumenti di visualizzazione per studiare lo stato del sistema quantistico, l’integrazione del QISKit con la IBM Data Science Experience, un compilatore che traccia gli esperimenti desiderati sull’hardware disponibile, nonché esempi dimostrativi di applicazioni quantistiche).

Questione di “chimica”

L’informatica quantistica promette di essere all’altezza di risolvere determinati problemi – come le simulazioni chimiche e certi tipi di ottimizzazione – che saranno sempre al di là della portata pratica delle macchine tradizionali. In un recente articolo apparso sulla rivista Nature, il team IBM Q ha aperto la strada a un nuovo modo di analizzare i problemi in ambito chimico attraverso l’utilizzo di hardware quantistico, in grado di trasformare un giorno, probabilmente, le modalità per scoprire nuovi farmaci e nuovi materiali [un notebook Jupyter che può essere utilizzato per ripetere gli esperimenti che hanno portato a questa chimica quantistica innovativa è disponibile nei tutorial del QISKit. Sono inoltre previsti tutorial simili per descrivere dettagliatamente l’implementazione di problemi di ottimizzazione come MaxCut e Traveling Salesman sull’hardware quantistico IBM – ndr].

La simulazione del computer a 56 qubit

IBM è intenzionata a “rompere la barriera” dei 49-50 qubit (in particolare a dare la sua risposta tecnologica alle dichiarazioni di Google che ha proclamato la “quantum supremacy” annunciando un computer quantistico a 49 qubit entro la fine dell’anno) e un team di fisici e ingegneri ha annunciato pochissimi giorni fa di aver sviluppato un algoritmo in grado di simulare un computer quantistico a 56 qubit.

L’analisi degli scienziati rientra ovviamente nell’alveo della ricerca teorica: si parla di simulazione di un processore quantistico per la quale si ricorre a sistemi computazionali tradizionali. Un aspetto non banale da prendere in seria considerazione anche dal punto di vista delle memorie necessarie a “reggere” le simulazioni. Ogni singolo qubit aggiunto al processore simulato comporta un raddoppio della memoria del processore realmente impiegato per lo studio e la simulazione.

Quello che vantano i ricercatori di IBM è una risposta anche a questo tipo di complessità: gli scienziati sostengono sia possibile simulare 56 qubit utilizzando solo 4.5 terabyte di memoria. Per riuscirci, il team di ricerca ha prima dovuto concentrare gli sforzi sullo studio di un metodo di calcolo più “efficiente”, in particolare puntando a “rompere” la simulazione in processi più piccoli, ognuno dei quali richiede quindi una capacità di memoria inferiore ai petabyte che servirebbero invece per il processo integrale di simulazione.

Computer quantistico IBM accessibile a tutti

Oggi IBM offre a chiunque l’accesso ad un processore quantistico a 5 qubit. Mentre  il gigante della tecnologia lavora ad un computer con decine di qubit, sta mettendo online il suo chip più piccolo: «Vogliamo renderlo accessibile a persone che potrebbero non sapere molto sul quantum computing, ma che sono interessate a conoscere la tecnologia», dice Jerry Chow di IBM Research a New York.

È possibile programmare il chip di IBM utilizzando un servizio web chiamato Composer, così chiamato perché l’interfaccia assomiglia a una partitura musicale . I tutorial spiegano come trascinare e rilasciare diverse porte logiche quantistiche per creare un algoritmo, che può poi essere eseguito sul chip fisico del laboratorio di IBM  (per accedere al Composer, clicca qui).

Le porte quantistiche sono i mattoni elementari per il calcolo quantistico, agendo sui qubit nello stesso modo in cui le porte della logica classica agiscono sui bit per cambiare il loro stato in maniera controllabile. Il Composer è un’interfaccia utente grafica per la programmazione di un processore quantistico. Pensatelo come strumento per costruire algoritmi quantistici usando una libreria di misure e porte ben definite (operazioni che cambiano lo stato del qubit).

Il Composer permette di creare un valore quantico — in senso musicale. In una partitura quantistica, proprio come con la musica, il tempo progredisce da sinistra a destra. Ogni rigo rappresenta un qubit (così come ciò che accade a quel qubit nel tempo). Proprio come per le note musicali, ogni qubit ha una frequenza diversa. Un algoritmo quantistico (circuito) inizia preparando i qubit in stati ben definiti (ad esempio “0” nella figura sottostante), quindi eseguendo una serie di porte a uno e due quadranti in tempo da sinistra a destra.

D-Wave, il computer quantistico “di Google”

Su cifre di qubit enormemente più elevate si attesta il computer quantistico presentano nel 2013 da Google e dalla NASA, nel Quantum Artificial Intelligence Lab in California, il D-Wave Two, computer quantistico a 512 qubit.

Realizzato in realtà dalla D-Wave Systems di proprietà dell’ex dottorando dell’Università della British Columbia, il quarantenne canadese Geordie Rose (che lavora al computer quantistico già dal 2007), il D-Wave nasce “ufficialmente” nel 2011 come elaboratore a 128 qubit (D-Wave One).

Come funziona il D-Wave Two

Il D-Wave Two si presenta come un computer quantistico con un processore a 512 qubit, ognuno dei quali è un circuito superconduttore mantenuto a temperature bassissime (2 o 3 K, -271 Celsius) grazie all’utilizzo dell’elio e ad alcuni dischi di rame che provvedono sia a dissipare il calore sia a schermare il sistema da eventuali interferenze elettromagnetiche; l’interno del D-Wave si presenta come una grande griglia metallica composta da centinaia di piccoli anelli di niobio (un metallo molto elastico). Quando la temperatura si alza, la corrente può con uguale probabilità girare in senso orario o antiorario: questa indeterminazione viene sfruttata come unità di informazione usata per svolgere i calcoli.

D-Wave 2000Q, il computer quantistico da 2000 qubit

Mille volte più veloce del predecessore il D-Wave 2000Q è stato annunciato dalla società canadese all’inizio di quest’anno e si presenta, ancora una volta, come un computer quantistico con un processore da 2000 qubit in grado di effettuare calcoli sfruttando il cosiddetto quantum annealing (come abbiamo spiegato nei paragrafi precedenti, sfruttando l’ottimizzazione combinatoria per eseguire compiti o risolvere problematiche molto specifiche).

Nello specifico caso del D-Wave 2000Q, il processore trasforma un problema da risolvere in una sorta di “mappa”, ossia elabora l’enorme quantità di dati che riceve in input e attraverso sofisticati algoritmi matematici trasforma questi dati in una sorta di “paesaggio”; una mappa che è il risultato di tutte le potenziali soluzioni possibili al problema da risolvere. Questo “paesaggio di soluzioni” rappresenta uno “stato quantico” che la macchina inizia ad esplorare attraverso il tunneling quantico, l’entanglement e la sovrapposizione, via via escludendo le soluzioni meno probabili/possibili e via via identificando quelle più corrette, fino ad arrivare alla soluzione più idonea.

Solo pochi giorni fa la D-Wave Systems ha anche annunciato nuove funzionalità al sistema, in particolare un sistema di reverse annealing che utilizza potenti algoritmi di ricerca euristica per l’ottimizzazione e l’apprendimento automatico e applicazioni come la sicurezza informatica o la scoperta di farmaci. Il reverse annealing consente agli utenti di specificare il problema che desiderano risolvere insieme a una soluzione prevista al fine di restringere lo spazio di ricerca per il calcolo. La soluzione prevista può essere il risultato di una precedente computazione – quantistica o classica – o un’ipotesi plausibile.

Molti algoritmi di ottimizzazione e apprendimento automatico sono comunemente descritti come “problemi di grafico”. Ad esempio, i modelli grafici vengono spesso utilizzati per analizzare il flusso di traffico tra le città o la trasmissione di informazioni tra i neuroni in una rete neurale artificiale. D-Wave ha quindi pensato di introdurre una nuova funzionalità per la realizzazione di “grafici virtuali” per migliorare la precisione del sistema, in particolare consentendo il controllo dell’interazione di gruppi di qubit, per modellare un nodo o un collegamento in un grafico complesso consentendo agli utenti di lavorare con modelli di probabilità più complessi.

Gli attacchi al D-Wave: “non è un computer quantistico”

Il “processo quantistico” sviluppato da D-Wave porta ad una serie diversificata e complessa di risposte a seconda del “compito” cui è chiamata la macchina. Questa descrizione è drasticamente semplicistica ma necessaria per far comprendere come funziona nella pratica un quantum annealer, oggetto di “attacco” di una parte della comunità scientifici nei confronti della D-Wave Systems, “accusata” di proporre sistemi che non hanno nulla a che vedere con il computer quantistico universale a cui stanno lavorando IBM, Google e molti centri di ricerca.

Il primo a mostrare il suo scetticismo nei confronti del D-Wave è stato Matthias Troyer, docente dell’Università ETH di Zurigo, il quale dopo aver condotto alcuni studi specifici è giunto alla conclusione che, fatta eccezione per un piccolo sottoinsieme di problemi, il computer quantico D-Wave mostra prestazioni paragonabili a quelle di un comune computer con un avanzato processore Intel.

C’è poi una ricerca pubblicata dal professore Umesh Vazirani dell’Università di Berkeley in California dalla quale emergerebbe che il modello computazionale seguito dal sistema D-Wave sia di tipo tradizionale e non basato sui principi della meccanica quantistica.

Altri esponenti della comunità scientifica contestano il fatto che un quantum annealer non possa essere considerato a tutti gli effetti un computer quantistico perché impiegabile solo per specifici problemi verso i quali il sistema viene preventivamente ottimizzato. Al momento, in effetti, il D-Wave si presta ad attività molto specifiche e non al calcolo generico, anche se Google sostiene sia ideale per i suoi studi sull’intelligenza computazionale.

Google dichiara la quantum supremacy

La capacità di un computer quantistico di superare le prestazioni di un computer classico si chiama “supremazia quantistica”. Sebbene possa sembrare un sogno di fantascienza, gli esperti ritengono che per un numero limitato di problemi informatici, la supremazia quantistica sarà una realtà in una questione di anni.

Era la metà di luglio di quest’anno [ci si riferiva al 2018 – ndr] quando, in occasione della Conferenza Internazionale sulle Tecnologie Quantistiche (ICQT) di Mosca, John Martinis, fisico pluripremiato responsabile del laboratorio di ricerca quantistica di Google, dichiarò al mondo che Big G «è vicina alla creazione di un computer che sarà in grado di dimostrare la “quantum supremacy”, la superiorità del calcolatore quantistico sui supercomputer tradizionali», lasciando implicitamente intendere che il proclama di supremazia debba essere letto anche nei confronti dell’azienda rispetto ai concorrenti.

Il nuovo chip progettato dal colosso americano sfrutta le leggi della fisica quantistica ed entro l’anno verrà realizzato un nuovo dispositivo per il calcolo computazionale basato sui quanti, in particolare su ben 49 qubit. Questo l’obiettivo dichiarato e più volte confermato dallo stesso Martinis.

Google sta di fatto conducendo esperimenti con un nuovo circuito basato su una griglia di 49 qubit lavorando in particolare al disegno architetturale del chip; gli scienziati sono convinti che la stabilità, la scalabilità e le prestazioni dei qubit dipendano dalla configurazione degli stessi all’interno della ‘griglia’ e dalla conformazione del circuito. Martinis, infatti, ha già sperimentato, sul chip a 6 qubit, un nuovo sistema di produzione del circuito, separando di fatto la griglia dei qubit dal tradizionale sistema di cablaggio che li controlla (posizionando quest’ultimo su un secondo chip poi saldato al primo).

«L’idea – spiega Martinis – è eliminare le linee di controllo supplementari necessarie in un chip più grande che in realtà possono interferire con la funzione dei qubit».

Per ora l’esperimento è dichiarato ‘sulla carta’ ed è dunque di natura ‘accademica’: ammesso che funzioni, resterà da capire come sviluppare chip scalabili e programmabili.

Bristlecone, processore per computer quantici da 72 qubit

Tra febbraio e marzo 2018 Google ha lanciato Bristlecone, il suo ultimo processore quantistico con l’obiettivo di fornire ai suoi ricercatori un banco di prova “per la ricerca sui tassi di errore del sistema e sulla scalabilità della tecnologia basata su qubit, così come sulle applicazioni di simulazione quantistica, ottimizzazione e machine learning” (si legge nella nota rilasciata dalla stessa Google.

Uno dei principali problemi che tutti i computer quantistici devono affrontare è il tasso di errore (riportano in questo articolo alcuni analisti di TechCrunch). I computer quantistici funzionano tipicamente a temperature estremamente basse (nell’ordine dei millikelvin) e sono schermati dall’ambiente perché i bit quantistici di oggi sono ancora molto instabili e qualsiasi rumore può portare a errori.

Per questo motivo, i qubit dei moderni processori quantistici (le versioni di calcolo quantistico dei bit tradizionali) non sono in realtà dei singoli qubit, ma spesso una combinazione di numerosi bit per contribuire a ridurre i potenziali errori. Un altro fattore limitato in questo momento è che la maggior parte di questi sistemi può conservare il proprio stato solo per meno di 100 microsecondi.

I sistemi che Google ha dimostrato in precedenza mostravano un tasso di errore dell’ 1% per la lettura, dello 0,1% per i single-qubit e dello 0,6% per porte a due-qubit.

Ogni chip Bristlecone è dotato di 72 qubit. L’ assunto generale nel settore è che ci vorranno 49 qubit per raggiungere la supremazia quantistica, ma Google mette in guardia anche che un computer quantistico non è solo formato da qubit (“l’utilizzo di un dispositivo come Bristlecone a basso errore di sistema richiede una perfetta sincronizzazione di tecnologie che vanno dal software e l’elettronica di controllo al processore stesso. Per ottenere questo risultato è necessaria un’attenta progettazione dei sistemi in diverse iterazioni”, dicono dal tema di ricerca di Google).

Il prezzo di un computer quantico (da desktop per casa)

I prezzi per i computer quantici variano molto in base al tipo di computer che vuoi acquistare. Ovviamente i computer a molti qubit che vanno super veloci e moltissima potenza di calcolo costano tanto. Ma se vuoi acquistare un computer quantistico per casa, puoi sicuramente rivolgerti ad aziende cinesi o internazionali e acquistare computer quantici a un prezzo irrisorio. Con circa 5.000 euro potrai portare a casa un computer quantico da utilizzare per le tue attività.