Computer quantistico: strato hardware e qubit. Cos’è e come funziona?

28.04.2021 – 10.00 – Siamo ancora agli inizi della storia dei computer quantistici, un po’ come essere negli anni ’50 dei calcolatori classici. Insomma, c’è ancora tutto da fare. Questo è entusiasmante perché quando la tecnologia quantistica, e non solo di calcolo, entrerà nei prodotti di tutti i giorni, essa avrà un effetto trasformativo sulla società umana. Non sappiamo ancora quanto tempo ci vorrà, ma io credo che prima della fine di questo decennio qualche evidenza pratica ci sarà.
Il calcolatore quantistico è un dispositivo in grado di eseguire l’algebra e le equazioni della Meccanica Quantistica e per fare ciò, anziché di bit, sui quali agisce la logica booleana, ha bisogno di bit quantistici o qubit su cui far agire la logica quantistica. Lo strato hardware deve compiere operazioni molto semplici, allo stesso tempo dando risultati molto diversi rispetto a quelli ottenuti con i bit, soprattutto quando i qubit cominciano a crescere di numero. Ed è proprio con la crescita dei qubit (non ne servono molti, ne bastano qualche decina) che si amplificano in maniera esponenziale le capacità di calcolo indotte dagli effetti quantistici.

Il bit segue le leggi della fisica classica ed i suoi stati possibili sono solo due, 0 o 1, esso cioè si troverà sempre e solo in uno dei due stati, o 0 o 1. Il qubit invece segue le leggi quantistiche, e pur avendo due stati come il bit, a differenza di questo li ha entrambi sempre presenti e sovrapposti, almeno fino all’atto della misura. Lo stato in cui il qubit precipita alla fine del calcolo sarà appunto il risultato. Questa è la prima grande differenza, e non è cosa da poco. Ad esempio, con 10 bit possiamo rappresentare un numero che va da 0 a 1024, ma solo un numero alla volta. Con 10 qubit invece potremmo rappresentare sempre i 1024 numeri ma stavolta tutti assieme, ancorché sovrapposti. La sovrapposizione di stati è la prima proprietà che distingue i due tipi di calcolatori. La seconda, che potenzia la prima, è che gli stati dei singoli qubit possono essere entangled, cioè quantisticamente correlati, rendendo possibile eseguire operazioni in parallelo su tutti i qubit. È questa la cosiddetta supremazia quantistica, che rende il calcolatore quantistico molto più efficiente di un calcolatore classico su un certo numero di algoritmi; non  necessariamente su tutti.

Computer ibrido: computer principale classico dotato di acceleratore quantistico

Sovrapposizione ed entanglement sono proprietà peculiari della meccanica quantistica e degli oggetti quantistici, cioè delle particelle elementari, ed ecco perché realizzare un computer quantistico è molto difficile, ed è stato fino a pochi decenni fa impossibile. Si tratta infatti di realizzare un hardware in grado di eseguire l’algebra della meccanica quantistica: per far questo servono appunto i qubit, i quali sono fatti a partire da ioni, elettroni e fotoni  che  debbono essere isolabili e controllabili in ‘programmazione’ e “lettura”. Oggi nei laboratori di ricerca ci sono prototipi di qubit di tutte le tipologie descritte, e i calcolatori quantistici più avanzati hanno tra i 50 ed i 100 qubit. La difficoltà sta nel mettere insieme in maniera coerente ed entangled qualche decina di qubit, perché essi sono facilmente disturbabili dall’ambiente in cui sono immersi ed è necessario mantenerli isolati da esso, tuttavia preservando la loro possibilità di interagirvi. Azioni un po’ in contrapposizione, da qui le difficoltà realizzative dei computer quantistici.

La maggior parte degli attuali calcolatori quantistici funziona solo ad una temperatura vicina allo zero assoluto (< 1°K o ~-273° C), perché a temperature più elevate il rumore termico distruggerebbe la coerenza degli stati quantistici rendendo impossibile il calcolo. Si tratta in realtà di grandi frigoriferi i quali mantengono in prossimità dello zero assoluto i pochi qubit di cui sono composti. Negli ultimi anni si è riusciti a formare qubit dentro il silicio che funzionano a una temperatura di 1.5°K, il che è già un grande passo avanti (il costo di raffreddamento dei qubit  passa così dal milione  alle migliaia di euro). Sono convinto che il calcolatore quantistico a temperatura ambiente sia la strada da esplorare per il futuro, insieme a quella dell’uso di potenti campi  magnetici per isolare delle molecole che fungono da qubit. Un’altra strada, che mi piace pensare possibile, si basa sull’uso di fotoni come qubit, anche se sono consapevole che intrappolare un fotone è più complesso che intrappolare una particella come un elettrone o uno ione.

Tornando al presente, e date le problematiche di rumore termico e la grande complessità di costruire memorie quantistiche, i calcolatori quantistici vanno visti più come acceleratori di computer classici che come dei veri e propri calcolatori. L’idea è quella di un computer ibrido in cui le funzionalità principali siano svolte da un computer classico che sia però dotato di un acceleratore quantistico, nel quale far confluire calcoli che necessitano di sfruttare le proprietà  quantistiche, un po’ come avviene oggi per i calcolatori dedicati ai videogiochi, che richiedono acceleratori grafici. L’acceleratore quantistico potrebbe così risolvere in maniera rapida complessi problemi di chimica-fisica e di  gravità quantistica, per citarne solo alcuni, e tutta una serie di problemi classici non affrontabili con calcolatori classici, come la fattorizzazione, così importante nei sistemi criptografici.

Visti i progressi fatti nel settore negli ultimi anni, sono convinto che la realizzazione industriale di  computer quantistici sia alle porte e alla portata di tanti. Gli investimenti non sono più enormi, mentre le ricadute lo possono essere. L’Italia anche in questo campo è un po’ fanalino di coda rispetto al peso economico del Paese. In questo  scenario, far partire nella nostra regione un grande progetto di ricerca per la realizzazione di un computer quantistico scalabile è un’opportunità da non perdere. Non dimentichiamo infatti che in regione abbiamo degli istituti di ricerca di primario standing mondiale nel campo della fisica teorica e sperimentale. Abbiamo quindi tutte le carte in regola per affrontare questa grande sfida che proietterebbe questa regione, da protagonista, nel futuro.

di Roberto Siagri 

[Roberto Siagriimprenditore nel settore tecnologico, ha una laurea in fisica ottenuta all’Università di Trieste. È stato uno dei fondatore di Eurotech Spa di cui  è stato amministratore delegato dalla fondazione fino a marzo 2021. Ha una buona dimestichezza con il settore finanziario avendo fatto crescere Eurotech attraverso l’ingresso di fondi di private-equity prima e con la quotazione in borsa dopo. Esperto di informatica e di computer miniaturizzati ad alte prestazioni, si è sempre mosso in un contesto internazionale al fine di espandere i confini dell’impresa].