Cosa sono i Quantum Computer? La nuova frontiera del Computing

Questo fine settimana sono stato male e, da libero professionista, ne ho approfittato per lavorare e guardare alcuni documentari sui nuovi e, a dir degli scienziati, promettenti Quantum Computer, una generazione di computer che va ben oltre l'idea del linguaggio binario (01) dei computer digitali.

L'inafferrabilità della natura quantistica della realtà

Tra questi, ho guardato il TEDx Talk di Felix G. Gemeinhardt di cui sotto riporto il video, che al minuto 3.35 parafrasando il fisico Richard Feynman dice: if you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics (Se pensi di capire la meccanica quantistica, allora non la capisci). E continuava dicendo che l'unico modo è calcolare e ipotizzare ma la realtà quantica è qualcosa che non possiamo in realtà comprendere perché viola il concetto di realtà stesso. Quindi è certamente un argomento che sfugge ma che può comunque avere applicazioni pratiche se smettiamo di chiederci il perché funziona così e accettiamo che in qualche modo è così che funziona.

Il mondo digitale che ci circonda

Ormai tutti usciamo computer digitali. Più di quello che pensiamo.

Lo smartphone è un telefono o un computer?

Perché i telefoni che chiamiamo smartphone in realtà sono computer in un formato tascabile che sì, funzionano anche da telefono. Infatti hanno un processore, una memoria RAM (volatile), una memoria di archiviazione, una scheda wifi, una porta USB, uno schermo e una tastiera virtuale e soprattutto un sistema operativo che si carica all'avvio esattamente come un computer.

La smart TV è un televisore o un computer con un grande schermo?

Ma anche quando guardiamo la televisione che chiamiamo smart TV in realtà stiamo usando un computer... questa volta con uno schermo molto grande ma quella TV ha un processore, una memoria RAM, una memoria di archiviazione, una scheda di rete e wifi, molte porte (USB, HDMI, LAN ecc.), e anche in questo caso si avvia con un sistema operativo e spesso la usiamo come streaming internet e non più come segnale ricevuto via antenna.

Cos'è il Computing

Il computing è l'uso di strumenti per eseguire calcoli e processare dati. Inizialmente, si usavano calcolatori meccanici e analogici per risolvere problemi matematici.

Con l'invenzione di strumenti digitali, che utilizzano bit binari (0 e 1), il computing è diventato più preciso e versatile. Oggi, il computing è fondamentale per molte tecnologie moderne, dalle calcolatrici ai sistemi di intelligenza artificiale.

Analog Computing: i calcolatori analogici

La storia del computing inizia con i primi calcolatori analogici. Questi dispositivi, detti Analog Computer, usavano proprietà fisiche continue come la tensione elettrica o la rotazione di ingranaggi per rappresentare i numeri e risolvere problemi matematici. Anche se erano utili per certi tipi di calcoli, avevano delle limitazioni in termini di precisione e flessibilità.

Digital Computing: i computer digitali che usano il sistema binario

Negli anni '40, con l'invenzione del transistor, i calcolatori digitali, detti Digital Computer, iniziarono a emergere. Questi usano Bits (Binary Digits), che possono essere 0 o 1, per rappresentare informazioni. I computer digitali sono molto più precisi e possono essere programmati per svolgere una vasta gamma di compiti, rendendoli molto più versatili degli analogici. Oggi, la maggior parte dei computer che usiamo, dai telefoni ai supercomputer, sono digitali.

La Teoria dei Quanti e la nascita del Quantum Computing

La teoria dei quanti, o Quantum Theory, nasce all'inizio del XX secolo per spiegare fenomeni che la fisica classica non riusciva a descrivere. Uno dei primi contributi venne da Max Planck nel 1900, che introdusse il concetto di "quanti" per spiegare come gli oggetti emettono e assorbono energia.

Albert Einstein nel 1905 utilizzò la teoria quantistica per spiegare l'effetto fotoelettrico, guadagnandosi il Premio Nobel.

Lo strano comportamento (controintuitivo) delle particelle subatomiche

Niels Bohr, Werner Heisenberg e altri svilupparono ulteriormente la teoria, introducendo concetti come la "superposizione" (Superposition) e l'"entanglement" (Entanglement), che descrivono il comportamento particolarmente strano delle particelle subatomiche. Questi principi sono alla base del Quantum Computing.

I Quantum Computer e i Qubits paragonati ai Computer Binari a Bit

I Quantum Computers rappresentano una nuova frontiera nel mondo del computing. A differenza dei computer tradizionali che usano bits, i quantum computer usano "Qubits" (Quantum Bits).

Superposizione dei quanti: i quanti sono ovunque nello stesso momento!

Un bit tradizionale può essere solo 0 o 1, ma un qubit può essere 0, 1, o entrambi contemporaneamente grazie alla superposizione (superposition).

Ecco che il concetto trascende il modello della nostra comprensione perché noi siamo abituati a definire la realtà come bianco o nero, 0 o 1, acceso o spento, mentre la Teoria dei Quanti si basa sull'ipotesi che un quanto contiene tutte le possibilità istantaneamente, cioè ha più posizioni, è allo stesso tempo acceso e spento ed oscilla non spostandosi ma coprendo tutte le posizioni in ogni momento.

Questo permette ai quantum computer di eseguire molti calcoli in parallelo, potenzialmente risolvendo problemi complessi molto più velocemente dei computer tradizionali.

Per descrivere questo fenomeno abbiamo chiesto aiuto ai gatti, sì proprio a loro!

Entanglement dei quanti: i quanti comunicano istantaneamente anche a distanza!

Un altro concetto fondamentale è l'entanglement (intreccio, interconnessione), che permette a qubit interconnessi di influenzarsi reciprocamente istantaneamente, anche se distanti. Questo fenomeno permette una comunicazione più veloce e un'elaborazione dei dati più efficiente.

L'entanglement quantistico mette in discussione la teoria di Einstein sulla velocità della luce perché permette a due particelle entangled di influenzarsi istantaneamente, indipendentemente dalla distanza tra loro. Questo fenomeno, osservato in esperimenti di laboratorio, suggerisce una connessione immediata tra le particelle che sembra superare il limite di velocità della luce previsto dalla relatività. Sebbene non consenta di trasmettere informazioni velocemente, l'entanglement solleva interrogativi profondi sulla natura dello spazio, del tempo e della comunicazione a livello quantistico.

Cerchiamo di capire il Quantum Computing con una analogia

Immagina di dover trovare una persona in una grande stanza buia usando una lanterna. Con un computer tradizionale (basato su bits), potresti dover controllare ogni angolo della stanza uno per uno, fino a trovare la persona. Questo richiede tempo e risorse.
Nel quantum computing, invece, è come se potessi illuminare tutta la stanza contemporaneamente con la tua lanterna grazie alla sovrapposizione dei qubits. Inoltre, se hai più qubits, puoi interconnetterli (entanglement) per vedere come la presenza della persona in un angolo influenzi l'illuminazione in altre parti della stanza.

Oppure immagina di dover trovare il percorso più breve in un labirinto molto complesso. Con un computer tradizionale, dovresti esaminare ogni possibile percorso uno alla volta, che richiederebbe molto tempo. Con un quantum computer, invece, potresti esplorare simultaneamente molteplici percorsi grazie alla sovrapposizione dei qubits. Questo ti permetterebbe di trovare la soluzione ottimale molto più rapidamente, sfruttando la capacità del quantum computing di considerare molte opzioni contemporaneamente.

Questo approccio parallelo e interconnesso consente di risolvere problemi complessi molto più rapidamente rispetto ai computer tradizionali, offrendo un enorme vantaggio soprattutto in calcoli intensivi e criptografia avanzata.

Lo stato del Quantum Computing

Nonostante i progressi, i quantum computer sono ancora in fase di sviluppo e non sono ancora pronti per l'uso quotidiano come i computer digitali. Tuttavia, rappresentano una promettente tecnologia del futuro.

Attualmente, diversi enti e aziende stanno lavorando allo sviluppo di quantum computer. Alcuni esempi includono:

IBM Q System One

IBM ha sviluppato il IBM Q System One, una piattaforma di computing quantistico accessibile tramite cloud per la ricerca e lo sviluppo.

Google Sycamore

Google ha realizzato il suo quantum computer chiamato Sycamore, che ha raggiunto il cosiddetto "supremacy quantistico" dimostrando la superiorità in alcune applicazioni rispetto ai computer tradizionali.

Microsoft Azure Quantum

Microsoft sta lavorando su Azure Quantum, un ecosistema che integra strumenti di programmazione quantistica con l'infrastruttura cloud di Microsoft.

D-Wave Systems quantum annealer

D-Wave Systems è nota per i suoi quantum annealer, che utilizzano un diverso approccio rispetto ai quantum computer basati su qubits.

Questi sono solo alcuni esempi di aziende leader nell'ambito del quantum computing, ciascuna con approcci e tecnologie diverse per realizzare il potenziale delle macchine quantistiche.