I computer digitali che usiamo ogni giorno si basano su numeri interi (o interi ), che rappresentano le informazioni come stringhe di zeri e uno che vengono riorganizzati secondo regole complicate. Esistono anche computer analogici, che rappresentano le informazioni come numeri (o numeri reali ) continuamente variabili, manipolati tramite circuiti elettrici o rotori rotanti o fluidi in movimento.
Nel XVI secolo, il matematico italiano Girolamo Cardano inventò un altro tipo di numeri chiamati numeri complessi per risolvere compiti apparentemente impossibili come trovare la radice quadrata di un numero negativo. Nel XX secolo, con l’avvento della fisica quantistica, si è scoperto che i numeri complessi descrivono naturalmente anche i dettagli più fini della luce e della materia.
Negli anni ’90, la fisica e l’informatica si scontrarono quando si scoprì che alcuni problemi potevano essere risolti molto più velocemente con algoritmi che lavorano direttamente con i numeri complessi codificati nella fisica quantistica.
Il passo logico successivo è stato quello di costruire dispositivi che funzionino con la luce e la materia per eseguire automaticamente questi calcoli. Questa fu la nascita dell’informatica quantistica.
Di solito pensiamo alle cose che fanno i nostri computer in termini che significano qualcosa per noi: bilanciare il mio foglio di calcolo, trasmettere il mio video in diretta, trovare il passaggio per l’aeroporto. Tuttavia, tutti questi sono in definitiva problemi computazionali, espressi in linguaggio matematico.
Poiché l’informatica quantistica è ancora un campo nascente, la maggior parte dei problemi che sappiamo che i computer quantistici risolveranno sono formulati in matematica astratta. Alcuni di questi avranno applicazioni nel “mondo reale” che non possiamo ancora prevedere, ma altri avranno un impatto più immediato.
Una delle prime applicazioni sarà la crittografia. I computer quantistici saranno in grado di decifrare gli odierni algoritmi di crittografia di Internet, quindi avremo bisogno di una tecnologia crittografica resistente ai quanti. Una crittografia sicura e un’Internet completamente quantistica utilizzerebbero la tecnologia del calcolo quantistico.
Nella scienza dei materiali, i computer quantistici saranno in grado di simulare strutture molecolari su scala atomica, rendendo più semplice e veloce la scoperta di materiali nuovi e interessanti. Ciò potrebbe avere applicazioni significative nel settore delle batterie, dei prodotti farmaceutici, dei fertilizzanti e di altri settori basati sulla chimica.
I computer quantistici accelereranno anche molti difficili problemi di ottimizzazione, per i quali vogliamo trovare il modo “migliore” per fare qualcosa. Ciò ci consentirà di affrontare problemi su larga scala in settori quali la logistica, la finanza e le previsioni meteorologiche.
L’apprendimento automatico è un’altra area in cui i computer quantistici possono accelerare il progresso. Ciò potrebbe accadere indirettamente, accelerando le subroutine nei computer digitali, o direttamente se i computer quantistici potessero essere reimmaginati come macchine che apprendono.
Nel 2023, l’informatica quantistica si sposterà dai laboratori sotterranei dei dipartimenti di fisica universitari alle strutture di ricerca e sviluppo industriale. La mossa è sostenuta dai libretti degli assegni delle multinazionali e dei venture capitalist.
I prototipi contemporanei di calcolo quantistico – costruiti da IBM , Google , IonQ , Rigetti e altri – sono ancora lontani dalla perfezione.
Le macchine odierne sono di dimensioni modeste e suscettibili di errori, in quella che è stata chiamata la fase di sviluppo del “ quanto rumoroso su scala intermedia ”. La natura delicata dei minuscoli sistemi quantistici significa che sono soggetti a molte fonti di errore e la correzione di questi errori rappresenta un grosso ostacolo tecnico.
Il Santo Graal è un computer quantistico su larga scala in grado di correggere i propri errori. Un intero ecosistema di fazioni di ricerca e imprese commerciali sta perseguendo questo obiettivo attraverso diversi approcci tecnologici.
L’attuale approccio principale utilizza circuiti di corrente elettrica all’interno di circuiti superconduttori per archiviare e manipolare le informazioni. Questa è la tecnologia adottata da Google , IBM , Rigetti e altri.
Un altro metodo, la tecnologia degli “ioni intrappolati”, funziona con gruppi di particelle atomiche caricate elettricamente, sfruttando la stabilità intrinseca delle particelle per ridurre gli errori. Questo approccio è stato guidato da IonQ e Honeywell .
Una terza via di esplorazione consiste nel confinare gli elettroni all’interno di minuscole particelle di materiale semiconduttore, che potrebbero poi essere fusi nella consolidata tecnologia del silicio dell’informatica classica. Il Silicon Quantum Computing sta perseguendo questa prospettiva.
Un’altra direzione ancora è quella di utilizzare singole particelle di luce (fotoni), che possono essere manipolate con alta fedeltà. Una società chiamata PsiQuantum sta progettando intricati circuiti di “luce guidata” per eseguire calcoli quantistici.
Tra queste tecnologie non esiste ancora un chiaro vincitore e potrebbe essere un approccio ibrido a prevalere alla fine.
Tentare di prevedere il futuro dell’informatica quantistica oggi è come prevedere macchine volanti e ritrovarsi invece con le fotocamere nei nostri telefoni. Tuttavia, ci sono alcuni traguardi che molti ricercatori concordano sul fatto che probabilmente verranno raggiunti nel prossimo decennio.
Una migliore correzione degli errori è importante. Ci aspettiamo di vedere una transizione dall’era dei dispositivi rumorosi a piccoli dispositivi in grado di sostenere il calcolo attraverso la correzione attiva degli errori.
Un altro è l’avvento della crittografia post-quantistica. Ciò significa la creazione e l’adozione di standard crittografici che non possono essere facilmente infranti dai computer quantistici.
All’orizzonte sono anche ricadute commerciali di tecnologie come il rilevamento quantistico.
Anche la dimostrazione di un autentico “vantaggio quantistico” sarà uno sviluppo probabile. Ciò significa un’applicazione avvincente in cui un dispositivo quantistico è indiscutibilmente superiore all’alternativa digitale.
E un obiettivo ambizioso per il prossimo decennio è la creazione di un computer quantistico su larga scala privo di errori (con correzione attiva degli errori). Una volta raggiunto questo obiettivo, potremo essere certi che il 21° secolo sarà l’“era quantistica”.
