Qubit: la base dei computer quantistici

I qubit stanno ai computer quantistici come i bit stanno ai computer classici. A differenza dei bit binari, al momento di una misurazione dei dati i qubit possono trovarsi contemporaneamente in stato 1 e 0. Questa proprietà di base della meccanica quantistica è destinata a rivoluzionare le tecnologie informatiche, permettendo di costruire computer quantistici con una potenza di un milione di volte superiore rispetto ai PC convenzionali.

Il futuro dell’informatica ha un nome: qubit. Dietro questa parola criptica si cela la più piccola unità di calcolo elementare della computazione quantistica|, il “bit quantistico”, che si differenzia considerevolmente dai bit dei computer di oggi, che conosciamo tutti. I qubit sono definiti sistemi quantistici a due stati, ovvero possono assumere due stati contemporaneamente. Costituiscono l’unità di base dei computer quantistici.

Per comprendere come funzionano i qubit occorre innanzitutto capire i tre principi fondamentali della meccanica quantistica.

• Sovrapposizione: indica sistemi quantistici che possono assumere due stati contemporaneamente. Per spiegarlo facciamo un confronto con il sistema binario: anziché 1 oppure 0, i sistemi quantistici possono assumere contemporaneamente 1 e 0 e molti altri stati intermedi fino al momento della misurazione dei dati.
• Correlazione quantistica (entanglement): indica un fenomeno della meccanica quantistica che Albert Einstein definì “terrificante azione a distanza”. Si tratta di due o più particelle intrecciate fra loro che anziché avere stati singoli definiti generano un unico oggetto. I cambiamenti di una particella dell’insieme si riflettono automaticamente su tutte le particelle correlate.
• Collasso quantistico: è il momento in cui i sistemi che si trovavano in una sovrapposizione non definita “collassano” con la misurazione o l’osservazione, passando a uno stato definito: 1 oppure 0.

Ritroviamo tutti e tre i principi nei qubit e quindi nel calcolo quantistico. Sono anche il motivo per cui governi e società come IBM, Google e Microsoft ripongono grandi speranze nei computer quantistici. Anche se questi sono ancora lontani dall’essere una realtà utilizzabile, i qubit fanno sperare in possibilità inattese sia per quanto riguarda la potenza sia dal punto di vista della nostra comprensione dei computer.

Il bit ha una cosa in comune con il bit quantistico: entrambi sono la più piccola unità di calcolo e memoria del rispettivo computer. Ma qui già terminano gli elementi in comune, poiché a differenza dell’unità di misura binaria dei nostri computer classici, i bit quantistici sono un’unità di misura della meccanica quantistica. Ma questo, esattamente, cosa significa?

Per prima cosa bisogna capire il funzionamento del bit. Da quando i film della serie “Matrix” hanno avvicinato il grande pubblico a temi complessi come l’intelligenza artificiale e le simulazioni al computer, molti conoscono anche gli uno e gli zeri binari. Un bit si basa su questo codice binario e rappresenta la più piccola unità di dati delle tecnologie digitali. I bit possono assumere lo stato 1 (vero/attivo) o 0 (disattivo/falso).

Invece, i bit quantistici non si basano sul codice binario, non devono quindi “decidere”. Secondo il concetto della sovrapposizione nella meccanica quantistica, un qubit si trova quindi contemporaneamente in stato 1 e 0. Può inoltre avere svariati stati intermedi come “un terzo di 0” oppure “due terzi di 1”. Solo nel momento della misurazione, con il collasso quantistico, i qubit assumono uno stato binario definito.

Le proprietà di meccanica quantistica dei qubit moltiplicano enormemente la potenza di calcolo dei computer quantistici rispetto ai computer convenzionali. Anche con 2 alla potenza di 500 bit non è possibile elaborare le stesse quantità di dati gestibili senza fatica da 500 qubit. 31 qubit corrispondono già a 32 GB; con ogni qubit in più, la dimensione, quindi l’unità di misura informatica, raddoppia.

Un altro esempio: per calcolare i fattori primi di un numero a 2050 bit, un computer che calcola solo in bit impiegherebbe alcuni milioni di anni. I computer quantistici svolgono operazioni di questo tipo in pochi minuti risolvendole non in successione, ma contemporaneamente. Probabilmente questi evidenti vantaggi incideranno in modo rivoluzionario sull’elaborazione e l’analisi di grandi e complesse quantità di dati.

Per poter rendere utilizzabili i qubit in un computer quantistico, occorre generarli. Mentre per creare i bit classici di solito si usano chip di silicio, per i computer quantistici servono nuove tecnologie e nuovi metodi. Ad esempio, gli ioni vengono “catturati” in campi elettrici, magnetici oppure si usano fotoni, quasi particelle e atomi artificiali e veri e propri. Con le cosiddette cadute di ioni la misurazione dei qubit viene eseguita inoltre tramite radiazioni a microonde. Google utilizza chip quantistici dove le correnti che fluiscono in circolo rappresentano un qubit. Anche qui la misurazione dei qubit è eseguita tramite radiazioni a microonde.

L’impiego dei qubit nei computer quantistici non offre soltanto molta più potenza. Per elaborare i qubit selezionati e salvati in griglie quantistiche sono necessari anche nuovi hardware e software e nuovi approcci di programmazione. Poiché si tratta di sistemi quantistici molto volatili, servono computer in grado di collegare i bit quantistici in modo affidabile e in numeri nell’ordine di milioni.

Un altro aspetto essenziale dell’attuale tecnologia dei computer quantistici è il raffreddamento corretto. Generando i qubit si sviluppa calore, come del resto avviene in tutti i computer. Per essere efficienti e sicuri, i computer quantistici devono quindi essere raffreddati molto vicino al punto zero di temperatura assoluto (-273,15 gradi Celsius).

Ci vorranno ancora anni prima che i computer quantistici diventino d’uso quotidiano. Servono nuove tecnologie e bisogna ripensare il modo in cui funzionano i computer. Quando ci riusciremo, i qubit offriranno tantissimi vantaggi per diversi scopi di utilizzo, tra cui:

• E-commerce
• Crittografia
• Ricerca medica
• Elaborazione, archiviazione e valutazione dei Big Data e dei Dark Data
• Intelligenza artificiale
• Apprendimento automatico
• Data mining efficiente e più potente
• Simulazioni quantistiche
• Creazione di modelli finanziari complessi
• Tecnologie smart
• Guida autonoma
• Ricerca aerospaziale.

Stando a quanto affermato da grandi società internazionali come IBM, Google e Microsoft, l’arrivo dei primi computer quantistici funzionali è solo una questione di tempo. Gli investimenti milionari e la nascita di società dedicate come Google AI o D-Wave sono la prova che il calcolo quantistico è il futuro. A oggi uno dei computer quantistici più potenti è “Eagle” di IBM con 127 qubit.

A sua volta, il 23 ottobre 2019 Google AI ha reso noto che il chip Sycamore è riuscito per la prima volta a risolvere operazioni di fronte alle quali anche i migliori supercomputer avevano fallito. Un traguardo che è stato chiamato “supremazia quantistica”. Tuttavia, per permettere ai computer quantistici di raggiungere una vera e propria superiorità servono nuove tecnologie, nuovi software e nuovi linguaggi di programmazione.