{{{sourceTextContent.title}}}

La corsa per diventare la prima superpotenza mondiale del calcolo quantistico

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Dalla progettazione di nuovi polimeri e prodotti farmaceutici alla modellazione del cambiamento climatico e al cracking della crittografia, le potenziali applicazioni del calcolo quantistico hanno scatenato una corsa globale agli armamenti quantistici.

{{{sourceTextContent.description}}}

Cos'è il calcolo quantistico?

Dalla nascita del microprocessore a singolo chip 50 anni fa, i computer hanno eseguito calcoli manipolando bit di informazioni - uno e zero - usando minuscoli transistor cotti in chip di silicio. I processori moderni stipano decine di miliardi di transistor in un chip delle dimensioni di un'unghia.

Il calcolo quantistico fa a meno dei transistor. Invece, gli uno e gli zero - soprannominati "qubit" - sono registrati cambiando lo stato degli oggetti quantistici, per esempio cambiando l'orientamento magnetico o lo "spin" di particelle elementari come gli elettroni

I computer quantistici più potenti di oggi possono mettere insieme solo qualche dozzina di qubit, ma stanno già facendo vergognare i più potenti supercomputer tradizionali in alcuni compiti.

Non è semplicemente una questione di potenza di elaborazione grezza. Mentre la carica elettrica di un singolo transistor può rappresentare o un uno o uno zero, un singolo qubit può effettivamente rappresentare sia uno che zero contemporaneamente grazie alle stranezze della meccanica quantistica

Questo permette ai computer quantistici di elaborare più risultati simultaneamente e di ridurre drasticamente il numero di passi necessari per affrontare problemi complessi - risolvendoli in minuti piuttosto che in millenni

Chi è all'avanguardia?

Usare i mattoni dell'universo per alimentare la prossima generazione di supercomputer potrebbe sembrare fantascienza, ma l'informatica quantistica è già una realtà. Gli Stati Uniti e la Cina stanno versando miliardi di dollari in ricerca e sviluppo, mentre l'Europa sta investendo pesantemente e le scoperte si stanno verificando in tutto il mondo.

Insieme alle università, anche i giganti tecnologici del settore privato come IBM, Microsoft, Google, Amazon, Alibaba e Baidu stanno aprendo la strada. Allo stesso tempo, le startup stanno lavorando per risolvere alcune delle sfide che devono essere superate perché l'informatica quantistica raggiunga il suo pieno potenziale.

Nell'ottobre 2019, il laboratorio di ricerca californiano di Google è diventato il primo a raggiungere la "supremazia quantistica", eseguendo un calcolo che sarebbe praticamente impossibile anche per il più potente supercomputer classico. Il processore Sycamore a 53 qubit di Google ha eseguito in 200 secondi un calcolo che avrebbe richiesto 10.000 anni al supercomputer più potente del mondo.

L'Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha raggiunto la supremazia quantistica solo 14 mesi dopo, affermando che il suo computer quantistico Jiuzhang è 10 miliardi di volte più veloce di quello di Google.

Quali sfide ci attendono?

Mentre la supremazia quantistica è un risultato importante, se l'informatica quantistica è un moonshot, allora la supremazia quantistica è solo l'equivalente del primo volo spaziale di Yuri Gagarin. Molte sfide sono ancora davanti a noi e i computer quantistici completamente funzionanti e tolleranti agli errori potrebbero essere ancora lontani più di un decennio.

Finora, la supremazia quantistica è stata raggiunta solo utilizzando computer e calcoli appositamente progettati per dimostrare i punti di forza del calcolo quantistico, ma non per risolvere problemi del mondo reale.

Una pietra miliare chiave sarà raggiungere la supremazia quantistica "pratica" quando si affrontano le sfide del mondo reale, dice il professor Andrea Morello. Vincitore del premio inaugurale della American Physical Society, Rolf Landauer e Charles H. Bennett Award in Quantum Computing, Morello guida uno dei team di ricerca sull'informatica quantistica della University of New South Wales a Sydney, Australia.

La supremazia pratica dei quanti potrebbe essere ancora lontana un decennio, dice Morello. È difficile prevedere quale problema sarà risolto per primo, ma una possibilità è il calcolo di una reazione chimica per sintetizzare un nuovo farmaco.

Raggiungere la supremazia quantistica pratica richiederà la correzione degli errori e la tolleranza ai guasti, simile ai computer tradizionali. La correzione degli errori si rivela impegnativa a livello quantistico, dove i qubit sono altamente suscettibili alle interferenze e rimangono stabili solo per millisecondi, dice Morello:

"La supremazia quantistica di Google è stata raggiunta usando porte qubit 'non corrette' e, mentre questo è impressionante, la correzione degli errori diventa importante quando si punta alla supremazia quantistica pratica in modo da potersi fidare abbastanza del risultato per applicarlo al mondo reale. La correzione degli errori quantistici è stata dimostrata in laboratorio e in questo momento si stanno investendo molte risorse per portarla a compimento"

Come vengono usati oggi i computer quantistici?

Mentre i progressi continuano verso la supremazia quantistica pratica, i computer quantistici intermedi offrono ancora un vantaggio sui computer classici in alcune applicazioni ottimizzate, dice l'analista laureato di GlobalData Sam Holt

"I computer quantistici completi, universali e con tolleranza ai guasti potrebbero essere lontani più di un decennio, ma una raffica di partnership recenti ha esplorato casi d'uso su dispositivi intermedi. Nel gennaio 2021, per esempio, Roche ha annunciato una collaborazione con Cambridge Quantum Computing per sviluppare simulazioni quantistiche per la scoperta di nuovi farmaci per il morbo di Alzheimer."

Roche impiega algoritmi noisy-intermediate-scale-quantum (NISQ) che mancano di correzione degli errori ma sono ancora utili per alcuni compiti.

Un altro approccio intermedio al calcolo quantistico propone di installare processori a basso qubit accanto ai processori tradizionali per agire come "acceleratori quantistici". Questo permette ad alcuni aspetti dell'elaborazione di beneficiare del vantaggio quantistico, in modo simile al modo in cui una CPU può passare compiti specifici ad una scheda grafica dedicata.

Anche una volta che la supremazia quantistica pratica sarà raggiunta, Holt dice che è probabile che le imprese in una vasta gamma di settori sceglieranno di affittare tempo su computer quantistici basati su cloud piuttosto che investire nel proprio hardware.

"Le offerte di cloud quantistico da parte di aziende come IBM stanno consentendo un computing quantistico diffuso. Le applicazioni primarie del quantum computing sono la simulazione, l'ottimizzazione, l'algebra lineare e la fattorizzazione. Queste capacità stanno diventando sempre più requisiti chiave in una vasta gamma di settori. Le aziende in questi campi che non stanno almeno studiando come il quantum può trasformare il loro business rischiano di rimanere indietro"

Quali sono le applicazioni del calcolo quantistico?

Calcoli

Anche quando la correzione degli errori e la supremazia quantistica pratica saranno raggiungibili, i computer tradizionali saranno ancora notevolmente più piccoli, più economici e più pratici per la maggior parte dei calcoli, dice Morello:

"Usare un computer quantistico per risolvere la maggior parte dei problemi è come usare un 747 per andare al supermercato. Proprio come un jumbo jet, il calcolo quantistico dimostra il suo valore quando è necessario fare il lavoro pesante"

Chimica

La chimica si sta profilando come la prima applicazione killer dell'informatica quantistica, aiutando potenzialmente l'umanità ad affrontare alcune delle sue più grandi sfide. Oggi la produzione di ammoniaca, l'ingrediente principale dei fertilizzanti, richiede forni ad alta temperatura che consumano il 2% dell'energia mondiale e producono l'1% della produzione di CO2. I batteri possono produrre ammoniaca a temperatura ambiente e l'informatica quantistica potrebbe essere la chiave per comprendere e replicare questo processo.

Nuovi materiali

Nella produzione, l'informatica quantistica potrebbe essere usata per sviluppare nuove sostanze chimiche, polimeri e leghe. La produzione industriale fa ancora fatica a duplicare molti materiali con proprietà sorprendenti che esistono in natura, come la seta di ragno.

Per peso, la seta di ragno è paragonabile all'acciaio quando si tratta di resistenza alla trazione, ma la seta non viene forgiata in un forno. Poiché la seta di ragno è una proteina fatta dal DNA, la capacità superiore del calcolo quantistico di modellare a livello subatomico potrebbe sbloccare la capacità di produrre materiali simili in modo ecologico, dice Morello:

"L'informatica quantistica è una tecnologia veramente dirompente che può avere un valore gigantesco per la scienza, per l'industria e per la società. È una tecnologia così genuinamente trasformativa che la maggior parte delle sue applicazioni saranno cose a cui non abbiamo ancora pensato - l'informatica quantistica aiuterà ad aprire nuovi mondi"

{{medias[156223].title}}

{{medias[156223].description}}

{{medias[156225].title}}

{{medias[156225].description}}

{{medias[156226].title}}

{{medias[156226].description}}

{{medias[156227].title}}

{{medias[156227].description}}