Negli ultimi venti anni i nostri personal computer sono diventati sempre più piccoli e potenti, grazie ai continui miglioramenti raggiunti nella miniaturizzazione dei loro componenti elementari, i transistor. Si stima però che nel 2020 si raggiungerà una soglia limite: transistor più piccoli di circa 10 nanometri saranno quasi impossibili da realizzare ed il continuo aumento delle performance potrebbe subire una battura d’arresto.

Secondo molti, la soluzione risiede nei computer quantistici. Ma cosa sono esattamente? Come funzionano? Ne parliamo con Riccardo Manenti, 27enne originario di Milano e ora a Berkeley, con un dottorato in fisica preso a Oxford ed ora Quantum Engineer della start-up tecnologica Rigetti che, secondo Wired, “sta sfidando IBM e Google” proprio sul tema dei computer quantistici.

Riccardo, che cos’è esattamente un computer quantistico?

Si tratta di macchine potenzialmente in grado di risolvere problemi complessi molto velocemente, problemi che i computer odierni non sono in grado di risolvere se non impiegando tempi lunghissimi o ricorrendo a notevoli ipotesi semplificative in fase di calcolo.

In termini molto semplici, i computer classici che noi conosciamo, quelli cioè che utilizziamo a casa ed in ufficio, basano il loro funzionamento sul sistema binario 0 e 1. Questi bit di informazione possono assumere solo un valore di due opzioni: 0 oppure 1; spento oppure acceso; vuoto o pieno, etc.

I computer quantistici non puntano a ridurre ulteriormente le dimensioni dei transistor e quindi della macchina ma introducono invece un nuovo modello computazionale. I transistor quantistici possono trovarsi in un terzo stato, rispetto al solo stato 0 o al solo stato 1: possono trovarsi in uno stato che è contemporaneamente 0 e 1.

È quindi possibile definire, accanto ai bit di informazione dell’informatica classica, i quantum bit (o qubit), in grado di trovarsi nella cosiddetta condizione di “sovrapposizione di stato quantistica”: non solo stati 0 e stati 1, ma anche stati 0 E 1. Alla base, per chi la conosce, vi è ovviamente la meccanica quantistica, che prevedere che sistemi microscopici come le piccole particelle possano trovarsi in due posti diversi nello spazio… nello stesso istante di tempo. Concetto contro-intuitivo ma che ha superato milioni di verifiche sperimentali.

Perché quindi costruire un computer quantistico?

Perché sarebbe incredibilmente più veloce di un computer normale. Laddove un computer normale impiegherebbe circa un milione di anni per svolgere alcuni operazioni, un computer quantistico ci metterebbe solo poche ore.

I computer quantistici tuttavia non esistono ancora, anche se diverse aziende e centri di ricerca stanno cercando di costruirli tra cui Rigetti a Berkeley, IBM a New York, Google a Santa Barbara, Intel in collaborazione con Delft, l’MIT a Boston, l’ETH a Zurigo e le università di Yale, Waterloo, Gothenburg ed Oxford.

Recentemente, l’Unione Europea ha stanziato circa un miliardo di euro per le tecnologie quantistiche. Analogamente, il Canada ha costruito un centro di ricerca dedicato da 150 milioni di dollari a Waterloo. Sulla stessa scia si stanno muovendo l’Australia e la Cina, con investimenti senza precedenti.

Ad oggi, solo tre compagnie (Google, Rigetti ed IBM) hanno pubblicato risultati scientifici riguardanti computer quantistici con più di 10 qubit. Ma è bene ricordare che un computer quantistico dovrebbe poter lavorare con almeno un milione di qubit per avere la potenza di calcolo desiderata. Questo potrebbe accadere nei prossimi dieci anni.

Quale sarà l’applicazione principale dei computer quantistici nei prossimi due o tre anni?

La principale applicazione dei computer quantistici è sicuramente la chimica. Consideriamo ad esempio la molecola di idrogeno H2. Essa è costituita da due atomi di idrogeno, separati l’uno dall’altro di circa 0.1 nanometro. La configurazione geometrica della molecola di idrogeno e le orbite dei suoi due elettroni sono molto facili da calcolare: il problema è così “semplice” che basta un pezzo di carta, una penna e qualche conto di meccanica quantistica per risolverlo.

Ma se consideriamo una molecola più complessa, come l’ossigeno (O2), le cose cambiano. Questa molecola ha due atomi di ossigeno, ciascuno con 8 elettroni per un totale di 16 elettroni. Trovare la configurazione elettronica di questa molecola è molto arduo per un computer classico. Per ovviare a questa limitazione, è necessario semplificare il problema con diverse approssimazioni. Un computer quantistico invece sarebbe in grado di trovare la configurazione esatta della molecola di ossigeno in pochi minuti.

In altre parole, i computer quantistici saranno cruciali per capire il comportamento quantistico nella chimica molecolare. Questo porterà, probabilmente fra diversi anni, allo sviluppo di catalizzatori più efficienti per il processo di Haber e ci permetterà di risparmiare il 5% dei gas naturali bruciati ogni anno.

Quando questa tecnologia sarà disponibile per il mercato?

Questa tecnologia è già disponibile sul mercato.

Un utente può collegare il proprio portatile al computer quantistico di Rigetti con 19 qubit. Basta accedere al sito e registrare il proprio account. A quel punto sarà possibile programmare il computer quantistico usando un codice interamente scritto in Python.

Vale però la pena ricordare che i computer quantistici funzionano solo a temperature bassissime, intorno allo zero assoluto (quasi 300 gradi sotto zero). Per raggiungere queste temperature serve usare speciali macchine frigorifere, chiamate refrigeratori a diluzione. Ciascuno di questi frigoriferi costa circa un milione di euro.

Per questo ed altri motivi i computer quantistici non saranno prodotti B2C di massa, venduti agli utenti finali, ma si tratterà piuttosto di impianti centralizzati a cui sarà possibile accedere da remoto. Verrà quindi venduto il tempo macchina, ossia il tempo necessario alla macchina per risolvere un problema molto complesso fornito dall’utente, che invierà i dati da remoto al computer quantistico, e che a sua volta risponderà fornendo la soluzione del problema.

L’utente avrà accesso al computer quantistico utilizzandolo come un servizio cloud… un quantum cloud appunto.

• Nel prossimo numero della newsletter di Unismart parleremo dell’altra faccia dei quantum computer: la crittografia quantistica. L’enorme potenza di calcolo dei computer quantistici, infatti, permetterebbe di violare i moderni sistemi di sicurezza informatica utilizzati ogni giorno, per esempio, per le transazioni finanziare o per le comunicazioni cifrate. Tuttavia, la meccanica quantistica offre una soluzione anche a questo problema, attraverso la crittografia quantistica e la generazione quantistica di numeri casuali. Questi protocolli, infatti, non possono essere violati, nemmeno con un’infinita potenza di calcolo a disposizione. Ne parleremo con il prof. Paolo Villoresi dell’Università di Padova ed il suo team di ricerca “Quantum Future”.

“Un’antenna nella Silicon Valley” è una rubrica di Unismart che racconta i trend più innovativi della Silicon Valley, le nuove start-up emergenti e le storie delle menti più brillanti.  Nicolò Spiezia ha conseguito il PhD presso l’Università di Padova, è stato Visiting Researcher presso Stanford University e Fulbright BEST Fellow alla Leavey School of Business presso la Santa Clara University. La sua attività di lavoro e ricerca verte nello sviluppo di algoritmi e modelli matematici. È un appassionato di Numerical Simulation, Machine Learning e High Performance Computing.