Sull'evento
Il calcolatore quantistico promette di risolvere problemi impossibili per la computazione classica: simulazioni molecolari, ottimizzazione combinatoria, machine learning. Lo stato dell'arte è ancora primitivo, ma i segnali di progresso sono chiari. Resta da capire quando questa tecnologia diverrà pratica e quale sarà il vero impatto sulla società.
I temi affrontati
- Qubit: proprietà di superposizione e intricamento
- Differenza tra computazione classica, quantistica e biologica
- Hardware criogenico e complessità di controllo dei qubit
- Roadmap industriale: dall'NISC al quantum computing corretto agli errori
- Applicazioni pratiche in chimica, ottimizzazione, intelligenza artificiale
- Architetture ibride: quantum accelerator integrato con GPU e processori classici
Il racconto
I qubit e la superposizione: fondamenti
Un bit classico è 0 oppure 1. Un qubit (bit quantistico) esiste in superposizione: una combinazione di entrambi gli stati contemporaneamente, rappresentato come punto su una sfera di Bloch. Quando si misura il qubit, la superposizione collassa e si ottiene 0 o 1 con probabilità che dipendono dalla sua posizione sulla sfera. Se il qubit era al polo nord della sfera è quasi certamente 0; se era all'equatore, probabilità del 50%.
Per controllare un qubit serve una risonanza: il qubit oscillatuisce a una frequenza caratteristica e si varia il suo stato mandando onde microonde di quella stessa frequenza, come una molla che risponde al pendolo che oscilla alla sua frequenza naturale. La lettura avviene in maniera indiretta per non distruggere lo stato quantico: si accoppia il qubit a un risonatore più piccolo e se ne legge lo stato tramite onde radio di ritorno.
Con più qubit emerge l'intricamento: due o più qubit possono occupare stati correlati in cui non è più possibile descriverne lo stato singolarmente—sono intricati, legati come se fossero una sola entità. Questo permette al computer quantistico di rappresentare esponenzialmente più stati di quanti non farebbe un sistema classico equivalente. Un computer classico a tre bit occupa uno stato fra otto possibili; un computer quantistico a tre qubit occupa una superposizione di tutti e otto gli stati contemporaneamente durante il calcolo.
Laboratorio vs. pratica industriale
Il laboratorio del Politecnico di Zurigo mostra qubit fisici raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto (dentro criostati sofisticati). A queste temperature i qubit sono stabili abbastanza da mantenere la coerenza quantica, ma il rumore rimane sostanziale: ogni misura è complicata dal rumore, tanto che si ricorre a tecniche di filtraggio per distinguere il segnale vero dall'interferenza ambientale.
IBM nel 2016 ha aperto l'accesso ai suoi computer quantistici tramite cloud: oltre 300.000 utenti hanno eseguito quasi un miliardo di circuiti quantistici. Questo è un segnale che la tecnologia, sebbene primitiva, entra nel territorio dello sperimentale concreto. Tuttavia, i processori attuali (65 qubit per IBM, nessuno superiore a 100 per gate-based quantum computing) generano risultati che simulatori classici ad alte prestazioni possono ancora riprodurre.
Si prevede di superare la barriera dei 100 qubit entro il 2021 e raggiungere 1000 qubit nel 2023. A quel punto il vantaggio quantistico—la capacità di svolgere calcoli impossibili per sistemi classici—diventerebbe realistico. Fino ad allora, i computer quantistici rimangono macchine di laboratorio che mostrano promesse ma non ancora supremazia pratica.
Applicazioni e il paradigma dell'accelleratore
Tre domini vedono potenziale imminente: simulazione di molecole e reazioni chimiche (la ricerca di nuovi farmaci o materiali), ottimizzazione combinatoria (routing, scheduling, finanza), e machine learning (algoritmi di support vector machine, categorizzazione).
Tuttavia, il paradigma non sarà il "computer quantistico puro" ma piuttosto l'accelleratore quantistico: una QPU (Quantum Processing Unit) integrata con GPU, FPGA e processori classici. Un algoritmo ibrido distribuisce il carico: la parte classica pre-elabora, la parte quantica risolve il nucleo del problema dove la superposizione fornisce vantaggio, la parte classica post-elabora e verifica. Se si cerca un numero primo molto grande, il computer quantistico fornisce un candidato; il computer classico verifica se è effettivamente primo; se no, la ricerca prosegue nel suo intorno.
Questo approccio ibrido consente risultati pratici già oggi, senza attendere il computer quantistico corretto agli errori (che richiede la teoria di correzione d'errore quantica, straordinariamente complessa da implementare fisicamente).
Il ritorno ai fotoni a temperatura ambiente
Accanto ai percorsi criogenici (superconduttori, ioni intrappolati, cavità a microonde), cresce l'interesse per fotoni come qubit. I fotoni sono stabili a temperatura ambiente—nessun criostato necessario—ma sono difficili da intricare: la loro stabilità è la stessa proprietà che li rende resistenti all'entanglement. Una soluzione in ricerca è utilizzare proprietà non-lineari e geometrie ottiche complesse per indurre correlazioni fotoniche.
Se il quantum computing fotonico divenisse pratico, comporterebbe un salto radicale di accessibilità: non più frigoriferi enormi e costosi, ma dispositivi portatili. L'era della fisica lo consente di sperare entro il decennio in soluzioni industriali fotoniche dimostrative.
Idee chiave
- Il qubit quantistico sfrutta la superposizione per occupare contemporaneamente più stati, accelerando l'esplorazione dello spazio di ricerca
- L'intricamento quantico permette correlazioni che la computazione classica non riesce a replicare efficientemente
- I computer quantistici attuali rimangono nel regime del rumore intermedio (NISC); supremazia quantica pratica richiede ancora migliaia di qubit
- Il paradigma industriale più realistico è l'acceleratore ibrido, non il computer quantistico puro
- Applicazioni immediate riguardano simulazione molecolare, ottimizzazione combinatoria e machine learning
- I fotoni a temperatura ambiente rappresentano un'alternativa promettente ai sistemi criogenici
Riferimenti citati
- Zurich Instruments — produttore di strumenti di controllo e lettura per qubit
- IBM Quantum — piattaforma cloud che espone 30+ computer quantistici a ricercatori e sviluppatori
- Qiskit — framework open-source IBM per la programmazione quantica, con oltre 300.000 utenti
- Politecnico di Zurigo — laboratorio che implementa qubit superconduttori
- NISC (Noise Intermediate Scale Quantum) — regime attuale della computazione quantica, caratterizzato da errori non corretti
- Negaro (Agenzia Spaziale USA) — finanziatore della ricerca sulla computazione quantica
- Gartner — azienda di ricerca che traccia roadmap della tecnologia quantica