💽 Computer quantistici, cosa sono e perchè tutti in questo momento ne stanno parlando 💽
In queste ultime settimane, dopo un lungo periodo di generale disinteresse, i computer quantistici sono tornati sotto i riflettori. Un periodo di silenzio in parte causato dal sovrastante "rumore" causato dagli enormi avanzamenti nel campo dell'IA, che hanno concentrato su di essi tutta l'attenzione pubblica.
Fatto sta che, grazie ad un grandissimo e rivoluzionario passo in avanti realizzato da Microsoft, si è ripreso a parlare di questi strani dispositivi e dei vari modi in cui potranno migliorare le nostre vite.
In questo articolo, cercheremo di andare un po' oltre le semplici notizie, con l'obiettivo di capire perchè i computer quantistici sono così importanti e come gli sviluppi portati avanti da Microsoft potranno aumentare le loro capacità.
Computer classico vs Computer quantistico, qual è la differenza?
Negli articoli inerenti al computer ad 8 bit, disponibili QUI, abbiamo parlato del microprocessore: la componente di base per i nostri moderni computer, telefoni, tablet e dispositivi elettronici. Tutti questi dispositivi hanno bisogno di elettricità per funzionare e l'elaborazione viene eseguita utilizzando segnali elettrici. Segnali che possono assumere due stati: 1 e 0. 1 significa "vero" ed è correlato ad un passaggio di corrente, mentre 0 significa "falso" e non prevede nessun passaggio di energia. Questi 1 e 0 vengono detti bit e sono l'unità fondamentale dell'informazione nei computer a cui siamo abituati. Questi bit vengono combinati e codificati attraverso il codice binario, per rappresentare numeri, lettere, o qualsiasi altro tipo di informazione. Informazioni che, memorizzate sotto forma di codice binario, possono essere finalmente elaborate dal processore.
D'ora in avanti chiameremo i "bit", di cui abbiamo parlato sino a questo momento, come "bit classici", per differenziarli dai "bit quantistici", di cui tratteremo a breve.
I bit classici e quelli quantistici sono profondamente differenti e la loro differenza è proprio ciò che rende i computer quantistici così rivoluzionari.
I computer classici, quelli a cui siamo abituati ed usiamo nella vita di tutti i giorni, usano i bit classici, che sono capaci di assumere solo due stati: 1 o 0. I computer quantistici, invece, utilizzano, per l'appunto, i bit quantistici, che sfruttano le proprietà quantistiche della materia per eseguire operazioni in modo completamente nuovo.
Tutto ciò per dire che i computer quantistici non sono semplicemente dei computer molto potenti, ma sono un altro tipo di computer, che utilizza meccanismi e principi completamente diversi. Un po' come un falò ed una lampadina: entrambi realizzano una certa quantità di luce, ma lo fanno con modalità completamente differenti.
Il bit quantistico:
Abbiamo già parlato dei bit classici e di come questi possano assumere solo due stati, uno o zero. Creando un'analogia, possiamo vedere un bit come una moneta: una moneta che può essere o testa o croce, a seconda di come questa cade dopo essere stata lanciata.
Il Qubit, abbreviazione di quantum bit, può assumere gli stati uno e zero, proprio come il bit classico. Allo stesso tempo, però, può anche assumere tutti gli altri valori intermedi tra questi due stati.
Continuando con la nostra precedente analogia, il Qubit è un po' come la moneta mentre si trova ancora in volo: non è né testa né croce, ma qualcosa di intermedio. Potremmo, ad esempio, constatare che, in un dato momento, la moneta sia al 3% testa ed al 97% croce, o 56% testa e 44% croce in un altro momento successivo. Nel suo stato di volo, la moneta rappresenta il nostro Qubit, ma cosa succede una volta che la moneta atterra? Sappiamo che la moneta non potrà che essere o testa o croce una volta atterrata, quindi tutte le proprietà che la moneta in volo aveva, di fatto, saranno perse. Specificando meglio, quando la moneta atterra, è come se tornasse ad essere un bit classico: tutti gli infiniti stati che la moneta poteva assumere durante il suo volo, sono stati COLLASSATI in uno solo.
Come è facile immaginare, l'esempio della moneta costituisce un'enorme semplificazione di quello che è il vero funzionamento dei Qubit. Le proprietà dei Qubit emergono da quelle che sono i principi quantistici della materia e particolarmente importante per il concetto che abbiamo appena presentato è il principio di sovrapposizione.
Nota: Un altro principio estremamente importante per il funzionamento dei computer quantistici è l'entanglement, di cui non parleremo in questo articolo per semplificare il più possibile e rendere questo contenuto più accessibile. Nel caso in cui vi interessasse capire di più riguardo a questo argomento, vi consiglio vivamente di approfondire questo aspetto in autonomia.
Qubit e principio di sovrapposizione quantica:
Il modo più semplice per spiegare il principio di sovrapposizione è il classico paradosso del gatto di Schrödinger, in cui un gatto viene rinchiuso in una scatola chiusa assieme ad un contatore Geiger ed una piccola quantità di sostanza radioattiva. Se la sostanza radioattiva decade durante l'ora di durata prevista per l'esperimento, il contatore Geiger lo rileva ed un meccanismo viene attivato: il meccanismo rompe una fiala contenente cianuro ed il gatto, di conseguenza, muore. Se la sostanza radioattiva, invece, non decade, il meccanismo non viene attivato ed il gatto ne esce illeso. Il destino della sostanza radioattiva è direttamente legato a quello del gatto e, dato che la sostanza (in un'ora) ha una probabilità uguale sia di decadere sia di non farlo, lo stesso vale per il gatto, che ha un 50% di probabilità di essere vivo ed un 50% di probabilità di essere morto.
Di Dhatfield - Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4279886
Di fatto, dal punto di vista probabilistico, i due eventi sono ugualmente probabili, quindi, finché non si apre la scatola, se ne deduce che il gatto è contemporaneamente vivo e morto, allo stesso tempo.
In questo momento il gatto si trova nella stessa situazione della moneta di cui abbiamo parlato prima: né testa né croce.
Quando la scatola in cui è contenuto il gatto viene aperta, tutti gli stati possibili collassano in uno solo: o vivo o morto.
Proprio come la moneta quando atterra, che può essere o testa o croce.
L'apertura della scatola o l'atterraggio della moneta sono entrambi degli eventi che portano al collasso degli stati di questi due sistemi. Nel mondo reale, quando si lavora con vere particelle, l'equivalente dell'apertura della scatola o dell'atterraggio della moneta sono la misurazione. Misurare lo stato di una particella, la porta a collassare, come già detto, in uno dei due stati possibili anche con i bit classici, o 1 o 0.
È importante specificare che con il termine "misurazione" non si intende necessariamente l'interazione di una particella in sovrapposizione con un qualche tipo di sensore. La particella collassa e perde le sue proprietà di sovrapposizione ogniqualvolta interagisce con un oggetto macroscopico, il che significa che non è necessario che ci sia una volontà "attiva" di realizzare una misura da parte di uno scienziato. Una qualsiasi interferenza esterna dal mondo macroscopico è sufficiente per far "perdere" alla particella il suo stato di sovrapposizione.
Lo stesso vale per i Qubit, che si trovano in uno stato di sovrapposizione quantistica sino a quando il loro stato non viene misurato.
Capiremo nel prossimo capitolo come le proprietà dei Qubit risultino importantissime per la realizzazione dei computer quantistici. Vedremo inoltre come esse costituiscano proprio la fonte dei principali vantaggi di un computer quantistico rispetto ad un computer "classico".
La sovrapposizione del bit quantico e perchè risulta utile per i computer quantistici:
Operazioni con i bit classici:
Per comprendere appieno quello che è il vantaggio che i computer quantistici hanno rispetto ai computer classici, è necessario capire come le operazioni vengono svolte in un computer classico: in un computer classico, come già ripetuto ormai migliaia di volte, i bit possono assumere solo due stati: 1 o 0. I bit, combinati assieme, vengono usati per rappresentare numeri, lettere o qualsiasi altro tipo di informazione; sulle quali poi il processore eseguirà una serie di operazioni.
Proviamo adesso ad elencare tutti i numeri che è possibile rappresentare usando una sequenza di 4 bit:
| NUMERO | BIT 1 | BIT 2 | BIT 3 | BIT 4 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Con 4 bit, ricaviamo
Proviamo adesso a realizzare una somma tra due numeri binari:
NUMERO 1 = 2
NUMERO 2 = 4
| NUMERO DECIMALE | BIT 1 | BIT 2 | BIT 3 | BIT 4 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | + |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | = |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 |
Come ci aspetteremmo il risultato che otteniamo è 6.
Operazioni con i Qubit:
Soffermandosi su quello che abbiamo appena sperimentato nell'esempio qui sopra, risulta chiaro che, di tutte le 16 combinazioni che è possibile rappresentare con 4 bit, di fatto ne abbiamo usata solo una per operando. La somma è stata eseguita tra il numero 2 ed il numero 4: quei numeri e quei numeri soltanto. Nulla di strano, vero?
Le cose diventano veramente interessanti quando, invece di usare 4 bit classici per realizzare la nostra operazione di somma, usiamo 4 Qubit. Dato che ogni Qubit può essere contemporaneamente sia 0 sia 1 e tutti gli stati intermedi, in un certo senso è come se, invece che eseguire l'operazione di somma tra due numeri definiti (nel caso precedente 2 e 4), noi la stessimo eseguendo tra tutti i numeri che è possibile rappresentare con quel determinato numero di Qubit, e tutto nello stesso identico momento.
È questo il principale motivo per cui i computer quantistici sono così rivoluzionari: anche se prima o poi una misurazione dovrà per forza essere effettuata per riuscire ad ottenere un risultato (o più di uno), di fatto, nel loro stato di sovrapposizione quantistica, i Qubit "contengono" al loro interno tutti i risultati di una determinata operazione, ed il tutto contemporaneamente.
Quando si esegue un'operazione con un bit quantistico, non viene calcolato un risultato alla volta, sequenzialmente, ma tutti i risultati possibili, contemporaneamente.
Qubit e l'interferenza:
Abbiamo parlato di come i Qubit permettano ai computer quantistici di eseguire calcoli complicatissimi in pochissimo tempo, grazie alle loro proprietà di superposizione. Tuttavia, non abbiamo considerato il problema della grandissima fragilità dei Qubit.
Come abbiamo già detto, il Qubit mantiene il suo stato di sovrapposizione sino a quando non si verifica una misurazione, che altro non è se non un'interazione con il mondo macroscopico.
Questa interazione può essere di varia natura: fattori molto difficili da controllare come la temperatura od addirittura la gravità possono destabilizzare i Qubit, cosa che compromette le loro proprietà.
È proprio per questo motivo che i computer quantistici necessitano di essere tenuti a temperature bassissime, vicine allo zero assoluto. La bassa temperatura minimizza l'effetto delle interferenze ed i vari disturbi che provengono dall'ambiente esterno, rendendo i Qubit più stabili e quindi i computer meno soggetti ad errori.
Come i recenti avanzamenti permettono di mitigare il problema dell'interferenza:
È proprio il problema della stabilità dei Qubit il principale ostacolo da superare per quanto riguarda lo sviluppo dei computer quantistici; problema che è stato efficacemente ridotto (ma non eliminato) dagli ultimi chip quantistici, i quali negli ultimi mesi hanno fatto molto parlare di sé.
Willow, sviluppato da Google:
In particolare, un recente avanzamento nel miglioramento della stabilità dei Qubit e la riduzione degli errori collegati ad essi, è stato raggiunto con il Chip Willow, sviluppato da Google.
Fonte per l'immagine: https://blog.google/intl/it-it/notizie-aziendali/tecnologia/ecco-willow-il-nostro-chip-quantistico-allavanguardia/
Willow è riuscito a raggiungere lo strabiliante risultato di "essere in grado di ridurre gli errori in modo esponenziale a mano a mano che aumenta il numero di Qubit utilizzati". Semplificando, con Willow si è riusciti a far DIMINUIRE il tasso di errore all'aumentare dei Qubit, invece che farlo aumentare come avveniva in precedenza. Un risultato stupefacente, soprattutto considerando che, all'aumentare dei Qubit, aumenta anche la potenza di calcolo. Grazie a questi cambiamenti architetturali, il chip è stato infatti capace di svolgere in 5 minuti un calcolo che, a detta di Google, avrebbe richiesto più di
Majorana I, sviluppato da Microsoft:
Un altro avanzamento è stato raggiunto dal chip Majorana I, sviluppato da Microsoft, che ha preso un approccio completamente diverso da quello di Willow. Majorana I, infatti, ha sfruttato la scoperta di un nuovo materiale, appartenente ai semiconduttori topologici, per realizzare i cosiddetti Qubit topologici. Il funzionamento dei Qubit topologici è estremamente complesso e ben oltre lo scopo di questo articolo, ma i vantaggi rappresentati da questo nuovo tipo di Qubit sono palesi. I Qubit topologici sono estremamente più stabili e meno soggetti alle interferenze rispetto ai Qubit sviluppati con tecnologie precedenti. Questa loro caratteristica li rende molto più scalabili, aspetto che, a detta di Microsoft, dovrebbe permettere, in un prossimo futuro, di realizzare chip con milioni di Qubit invece delle centinaia o delle migliaia che è stato possibile realizzare efficacemente sino ad ora.
Foto di John Brecher: https://www.johnbrecher.com/
Ecco spiegata, finalmente, la risposta alla domanda che ci siamo posti all'inizio di questo articolo: perché le scoperte di questi ultimi tempi nel campo dei computer quantistici sono così rivoluzionarie?
Se le affermazioni riportate da Microsoft fossero vere - e realizzare un computer quantistico con una quantità tale di Qubit fosse davvero possibile - potremmo trovarci davanti ad una rivoluzione simile a quelle provocate dall'invenzione della lampadina o dell'automobile.
Con un numero tale di Qubit, unito alla sorprendente stabilità dei bit topologici, sarebbe finalmente possibile utilizzare l'enorme potenza di calcolo dei computer quantistici anche per applicazioni pratiche. I diversi campi di applicazione sarebbero svariati: dalla statistica alla scoperta di nuovi materiali, permettendo la scoperta di nuove proteine e farmaci, trasportando nel futuro tutti quei campi che potrebbero beneficiare di una potenza di calcolo simile.
In pratica, un po' come è successo con l'avvento dell'intelligenza artificiale, il mondo, così come lo conosciamo, cambierebbe profondamente.
Conclusioni:
Per concludere, il recente aumento di interesse nei confronti dei computer quantistici è sicuramente giustificato: in un breve periodo di tempo, sono state trovate le soluzioni a problemi che erano presenti in questo settore ormai da decenni. Per il futuro sembra quindi esserci molta posta in gioco: infatti, anche gli investitori hanno ricominciato a finanziare massivamente il settore dell'informatica quantistica, un fenomeno che potrebbe accelerare ancora di più lo sviluppo e la ricerca.
Spero che questo articolo abbia accresciuto la vostra curiosità nei confronti dei computer quantistici e che vi abbia aiutato a comprendere chiaramente quali siano i vantaggi e le sfide da affrontare, per lo sviluppo di questa rivoluzionaria tecnologia.
Alla prossima.
Grazie per la lettura.
Fonti:
- https://it.wikipedia.org/wiki/Computer_quantistico
- https://it.wikipedia.org/wiki/Computer
- https://it.wikipedia.org/wiki/Qubit
- https://it.wikipedia.org/wiki/Principio_di_sovrapposizione_(meccanica_quantistica)
- https://it.wikipedia.org/wiki/Paradosso_del_gatto_di_Schr%C3%B6dinger
- https://azure.microsoft.com/it-it/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-a-qubit#:~:text=La%20sovrapposizione%20offre%20ai%20computer,veloci%20per%20risolvere%20determinati%20problemi.
- https://www.youtube.com/watch?v=A9izmvFqfxE.
- https://blog.google/intl/it-it/notizie-aziendali/tecnologia/ecco-willow-il-nostro-chip-quantistico-allavanguardia/
- https://youtu.be/O2fLHQveGK4
- https://www.outofbit.it/google-presenta-willow-il-nuovo-chip-quantistico-in-grado-di-rivoluzionare-la-tecnologia/
- https://www.wired.it/article/chip-quantistico-microsoft-majorana-1-computer/
- https://www.ilsole24ore.com/art/microsoft-svela-majorana-1-primo-chip-quantistico-qubit-topologici-AGRsL6zC
⚠️ Disclaimer: ⚠️
Gli argomenti trattati in questo articolo sono estremamente complessi e con molte sfaccettature.
Non essendo un esperto, non posso garantire in alcun modo la veridicità "accademica" di ciò che è scritto.
Il testo ha solamente uno scopo informativo e divulgativo, e non dovrebbe essere scambiato per una pubblicazione di una rivista scientifica.
Consiglio vivamente di controllare personalmente le fonti che ho lasciato qui sopra, nel caso in cui ci fossero dei dubbi in uno qualsiasi degli aspetti trattati.
Data: 18/03/25