Facciamo luce sul Quantum Computing

19

Durante il seminario divulgativo organizzato da Aica, Joseph D. Horing ha fatto il punto sul quantum computing: cenni storici, ragguaglio sullo stato dell’arte, cosa c’è in commercio e cosa ci si può fare






Quantum computing: concetto ancora avvolto nel mistero; tecnologia sconosciuta ai più, anche tra gli informatici professionisti. Ma il futuro potrebbe promuoverla a ruolo di protagonista. Aica, in tutto ciò, ha voluto divulgare quello che al momento si conosce sul quantum computing e quanto ancora c’è da fare per rendere concreti i vantaggi che potrebbero scaturirne. Il seminario tenutosi nei giorni scorsi e intitolato “Facciamo luce sul Quantum Computing”, ha reso il mondo quantistico più comprensibile ai partecipanti, grazie alla presenza di Joseph D. Horing nel ruolo di relatore.

Cenni storici

Innanzitutto, per conoscerne la storia, occorre tornare indietro nel tempo, al 1900, quando Lord Kelvin esclamò: ”Non c’è più nulla da scoprire!”. Solo cinque anni dopo, un impiegato dell’ufficio brevetti svizzero di nome Einstein scoprì la vera essenza della luce: il fotone. Particelle discrete dunque, che consentono alla luce stessa di esibire comportamenti tipici delle onde.
Scoperta non di poco conto, grazie alla quale Einstein ricevette il Nobel, che diede il là agli studi quantistici.

Ma il concetto di quantum computing cominciò a prendere forma dopo che nell’82 Feynman propose l’analisi dei problemi derivanti dalla simulazione fisica con il computer. Proprio nell’anno in cui il Time dedicava la sua copertina al Pc, quale ‘personaggio’ dell’anno.

Alla base, il quanto di informazione

Torniamo ai giorni nostri. Per parlare di quantum computing è necessario dapprima definire il bit, che racchiude il concetto di quanto di informazione, cioè la più piccola porzione in cui una qualsiasi informazione codificata può essere scomposta; il qubit, sul quale si basa la computazione quantistica, è il corrispettivo di quello che è il bit per la computazione classica, ma ne estende il significato in termini di stati quantistici, quindi anche sovrapposti.

Più nel dettaglio, prima di proseguire, è necessario indicare con il termine ‘osservabile’ una proprietà misurabile di un oggetto fisico. Un qubit, di conseguenza, è un qualsiasi osservabile che possa assumere solo due valori, ed il suo stato è definito da due numeri complessi. Quando effettuiamo la misurazione possiamo ottenere, ad esempio, vero o falso. Prima di tale misurazione, invece, si può avere a che fare con una sovrapposizione di stati (in parte vero ed in parte falso).
Da questa nozione è possibile giungere a delle specifiche proprietà intrinseche nel qubit. La prima di esse consiste, come si è potuto intuire, nella 
sovrapposizione degli stati. Si passa poi all’interferenza: un singolo quanto di informazione può interferire con se stesso. Concludiamo con l’entanglement – “correlazione”: è possibile manipolare due o più qubit in modo che la misurazione di uno di essi influisca nel risultato di una successiva misurazione dei restanti qubit; istantaneamente, anche a grande distanza.

Come per la computazione classica, è inoltre possibile definire delle porte logiche per calcolatori quantistici: Not o X, Hadamard, Controlled Not o Cnot, Swap, Toffoli. Quest’ultima è il corrispettivo della porta Nand nel mondo classico; è una porta universale dunque, dato che combinando le Toffoli è possibile generare tutte le altre.

Vantaggi e stato dell’arte

Ma quali sono i vantaggi portati dal quantum computing? Innanzitutto rende possibili elaborazioni prima troppo impegnative, in particolar modo riguardo i problemi inversi e quelli di ottimizzazione. Può inoltre portare ad abbattere le barriere per quanto concerne il riconoscimento di oggetti, l’elaborazione di segnali e l’intelligenza artificiale.

Per quanto riguarda lo stato dell’arte, siamo praticamente fermi alla ricerca teorica, con qualche implementazione di laboratorio; molto interessanti sono gli algoritmi di Shor e di Grover. Il primo scompone in fattori primi un numero intero; al giorno d’oggi si è arrivati a fattorizzare il numero 143. Questo algoritmo, alla base di un tipo di crittografia oggi molto utilizzata quale l’Rsa, utilizza le proprietà di interferenza e sovrapposizione del qubit, consentendo di ottenere il risultato in un tempo di elaborazione che cresce polinomialmente con le dimensioni del numero (in una macchina classica cresce esponenzialmente).
L’algoritmo di Grover, invece, permette di trovare la chiave in una lista non ordinata (ricerca elementi). In una macchina classica il tempo di elaborazione è proporzionale alla metà della lunghezza della lista; nella macchina quantistica è proporzionale alla radice quadrata.

Poco è stato fatto in tema di realizzazioni hardware. L’unica macchina presente al momento è il D-Wave 2, prodotta da un’azienda di Vancouver e venduta per dieci milioni di dollari nel 2013 ad una società costituita da Nasa, Google e un consorzio di università con finalità di ricerca. Risolve solo un numero limitato di problemi e non implementa gli algoritmi sin qui scoperti. Consiste in un cubo di tre metri per lato funzionante ad una temperatura di -270°C, costituito per la maggior parte da isolante magnetico e contenente al suo interno 512 qubit.

Non vi è ancora nulla in produzione a gate universali. Qualcosa è stato fatto in laboratorio creando una macchina quantistica elementare utilizzando l’algoritmo di Shor su qubit costituiti dai nuclei di una molecola di sette atomi.

Si è solo all’inizio di un lungo cammino, che, se portato a termine, potrebbe condurre ad una vera e propria rivoluzione per il mondo come lo conosciamo oggi. Un giorno il Time potrebbe dare spazio in copertina ad un calcolatore quantistico.