Non molto tempo fa, i limiti dei computer classici hanno spinto gli scienziati a sviluppare un nuovo tipo di calcolo: il calcolo quantistico. I computer quantistici utilizzano qubit invece dei bit classici e possono eseguire determinati calcoli molto più velocemente dei computer classici. Questo vantaggio può potenzialmente trasformare numerosi ambiti e migliorare la nostra vita. In questo articolo forniremo una panoramica dell'informatica quantistica, compresi i settori e i campi che potrebbero essere rivoluzionati dall'informatica quantistica. Discuteremo anche delle sfide e dei rischi associati a questa tecnologia, nonché di cosa le riserva il futuro.
Interno di un sistema informatico IBM Quantum. (Credito: IBM
)
Cos'è l'informatica quantistica?
L'informatica ha fatto molta strada da quando è stata sviluppata la teoria quantistica negli anni '20 e il primo computer programmabile, l'Electronic Numerical Integrator and Computer ( ENIAC
), è stato costruito nel 1945. La macchina è stata la prima "automatica, per uso generale, elettronica, computer decimale, digitale", secondo il libro di Edwin D. Reilly "Milestones in Computer Science and Information Technology". Cos’è esattamente l’informatica quantistica? In breve, si tratta di una tecnologia in rapida espansione che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per risolvere problemi complessi in modo più efficiente e potente rispetto ai computer classici. Per alcuni problemi, i supercomputer non sono poi così super. Fondamentalmente, l’informatica quantistica si basa sull’uso di bit quantistici (qubit) per elaborare e manipolare le informazioni. A differenza dei bit classici, che possono esistere solo in uno dei due stati (0 o 1), i qubit possono esistere in più stati contemporaneamente a causa del fenomeno della sovrapposizione. Ciò consente ai computer quantistici di eseguire molti calcoli contemporaneamente. Un altro principio chiave dell’informatica quantistica è l’entanglement , che consente ai qubit di essere correlati in modo tale che lo stato di un qubit possa influenzare istantaneamente lo stato di un altro, anche se sono fisicamente separati. Ciò consente ai computer quantistici di eseguire determinate attività molto più velocemente dei supercomputer: fattorizzare grandi numeri, effettuare ricerche in grandi database, ecc.
Come funzionano i computer quantistici?
Come appena accennato, i computer quantistici utilizzano qubit anziché bit per eseguire algoritmi quantistici multidimensionali. I qubit vengono creati utilizzando superconduttori, che mostrano effetti quantomeccanici come le coppie di Cooper che possono trasportare una carica attraverso isolanti tramite tunneling quantistico. Il comportamento dei qubit può essere controllato e manipolato sparando loro fotoni a microonde. I qubit possono essere posizionati in uno stato di sovrapposizione, rappresentando una combinazione di tutte le possibili configurazioni del qubit. Gruppi di qubit in sovrapposizione possono creare spazi computazionali complessi che possono rappresentare problemi complessi in modi nuovi. I computer quantistici sono più piccoli e richiedono meno energia dei supercomputer, ma devono essere molto freddi, cosa che si ottiene utilizzando superfluidi superraffreddati.
L’informatica quantistica è un campo in rapida evoluzione che rivoluzionerà il modo di risolvere problemi complessi. Diverse aziende, tra cui IBM, Google e Rigetti, hanno già costruito computer quantistici e li utilizzano. Questi computer hanno dimensioni che vanno da pochi qubit a oltre 100 qubit e ciascuno ha la propria architettura e un insieme di funzionalità uniche.
Nel 2017, Rigetti ha annunciato la disponibilità della beta pubblica di Forest 1.0, il primo ambiente di programmazione full-stack al mondo per l'informatica quantistica.
Sycamore
di Google è un processore quantistico che ha 53 qubit. È stato sviluppato nel 2019 e sosteneva di completare un’attività in 200 secondi che richiederebbe a un supercomputer di fascia alta 10.000 anni per essere completata.
Anche il computer quantistico IBM Quantum System One è stato introdotto da IBM nel 2019.
Contiene un processore quantistico transmon da 20 qubit alloggiato in un sistema informatico di 2,7x2,7x2,7 metri. È interessante notare che IBM ha annunciato il nuovo processore "Osprey" da 433 qubit durante l'IBM Quantum Summit 2022.
"Il nuovo processore 'Osprey' da 433 qubit ci avvicina al punto in cui i computer quantistici verranno utilizzati per affrontare problemi precedentemente irrisolvibili," – Dr. Darío Gil, Vicepresidente senior di IBM e Direttore della ricerca. Oltre agli sviluppi hardware, stanno avanzando anche strumenti software per l’informatica quantistica. Linguaggi di programmazione come Q# e Qiskit consentono agli sviluppatori di scrivere programmi quantistici ed eseguirli su hardware o simulatori quantistici. Tuttavia, l’informatica quantistica deve ancora affrontare alcune sfide e limitazioni. Il principale è la correzione degli errori . Durante l’esecuzione di un programma quantistico, gli errori si accumulano rapidamente, ponendo sfide agli scienziati. Pertanto, lo sviluppo di metodi efficaci di correzione degli errori è fondamentale per costruire computer quantistici affidabili e su larga scala. Un'altra limitazione significativa è la scalabilità . Sebbene esistano già computer quantistici con decine o centinaia di qubit, costruire un computer quantistico su larga scala con migliaia o milioni di qubit è ancora una sfida. Tuttavia, c’è ottimismo sul fatto che queste sfide verranno superate nei prossimi anni, aprendo la strada a una più ampia adozione dell’informatica quantistica. I sistemi IBM Quantum promettono di raggiungere oltre 4.000 qubit entro il 2025 e oltre.
In che modo l'informatica quantistica sta cambiando il mondo? Applicazioni nella vita reale
Detto questo, ci sono già diversi casi d’uso in diversi settori in cui l’informatica quantistica sta mostrando risultati sorprendenti.
Assistenza sanitaria
Uno dei settori più promettenti è quello sanitario. I computer quantistici possono simulare il comportamento di molecole e materiali in modo più accurato rispetto ai computer classici, il che potrebbe accelerare la scoperta di nuovi farmaci e trattamenti per le malattie. Ad esempio, algoritmi quantistici come il Variational Quantum Eigensolver (VQE) possono essere utilizzati per calcolare la struttura elettronica delle molecole in modo più accurato rispetto ai metodi classici. Inoltre, l’informatica quantistica può essere utilizzata per analizzare grandi set di dati provenienti da cartelle cliniche e studi clinici per identificare nuovi obiettivi per la scoperta di farmaci. Un altro esempio di come l’informatica quantistica potrebbe essere utilizzata nel settore sanitario è attraverso lo screening virtuale di candidati farmaci. Ciò comporta la ricerca in ampi database di potenziali farmaci per identificare quelli con le proprietà desiderate. L’informatica quantistica è in grado di accelerare questo processo effettuando ricerche efficienti in grandi quantità di dati, portando a una scoperta e a uno sviluppo di farmaci più rapidi.
Finanza
Un’altra importante applicazione dell’informatica quantistica potrebbe risiedere nell’ottimizzazione di problemi, come quelli incontrati nella sfera finanziaria. L’informatica quantistica potrebbe essere utilizzata per migliorare la modellazione finanziaria e la gestione del rischio. Ad esempio, gli algoritmi quantistici possono essere utilizzati per analizzare rapidamente grandi set di dati e fare previsioni sulle tendenze del mercato. Inoltre, la crittografia quantistica può essere utilizzata per proteggere le transazioni finanziarie e proteggersi dalle minacce informatiche. La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è una tecnica che utilizza i principi della meccanica quantistica per trasmettere in modo sicuro le chiavi di crittografia tra due parti. QKD sfrutta la potenza dei qubit entangled per creare una chiave impossibile da intercettare senza essere rilevata.
la logistica
L’informatica quantistica può essere potenzialmente utilizzata per ottimizzare la gestione della catena di approvvigionamento, riducendo i costi di trasporto e migliorando i tempi di consegna. Ad esempio, gli algoritmi quantistici potrebbero essere utilizzati per analizzare rapidamente i percorsi più efficienti per il trasporto e la distribuzione. Inoltre, l’informatica quantistica potrebbe essere utilizzata per risolvere problemi di programmazione complessi, come quelli incontrati nella programmazione delle compagnie aeree e ferroviarie.
Energia
Gli algoritmi quantistici possono essere utilizzati per simulare il comportamento dei materiali utilizzati nei dispositivi di accumulo dell'energia, portando allo sviluppo di batterie più efficienti. Oltre a ciò, l’informatica quantistica potrebbe essere utilizzata per ottimizzare la produzione di energia analizzando i modelli meteorologici e prevedendo la domanda di energia.
Produzione
Poiché il calcolo quantistico è in grado di analizzare set di dati di grandi dimensioni e di prevedere programmi di produzione ottimali, può essere di grande utilità anche nel settore manifatturiero. Come vedete, le potenziali applicazioni dell’informatica quantistica sono vaste e sono molti i settori che possono essere trasformati da questa tecnologia.
“Paure” del futuro
Da tutto ciò è facile concludere che l’impatto dell’informatica quantistica sulla società sarà significativo. E proprio come con qualsiasi altra tecnologia rivoluzionaria, ci sono alcuni rischi associati all’informatica quantistica. Una delle sfide più significative riguarda le implicazioni etiche e sociali della tecnologia. L’informatica quantistica ha il potenziale per violare molti dei metodi di crittografia utilizzati per proteggere i dati sensibili, il che potrebbe portare a violazioni della privacy e altri problemi di sicurezza. Inoltre, l’informatica quantistica potrebbe essere utilizzata per sviluppare nuove armi e tecnologie che potrebbero rappresentare una minaccia per la sicurezza globale.
Riepilogo
Sebbene l’informatica quantistica presenti numerose sfide e rischi, molte organizzazioni stanno lavorando attivamente per affrontarli sviluppando nuovi metodi di crittografia, migliorando hardware e software quantistici, nonché offrendo opportunità di formazione e istruzione. Riteniamo quindi che l’informatica quantistica rivoluzionerà il mondo in senso positivo. Sviluppando tecnologie quantistiche robuste e affidabili, possiamo sbloccare tutto il potenziale dell’informatica quantistica e creare un futuro più luminoso per l’informatica e la società nel suo complesso. Il momento dell'azione è adesso, quindi continua a scoprire il mondo della tecnologia con CodeGym!
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