Cosa c'è da sapere
- Il quantum computing utilizza i qubit, che possono rappresentare più stati contemporaneamente, consentendo a queste macchine di risolvere i problemi in modo molto più efficiente rispetto ai computer classici.
- Si basa sui principi della fisica quantistica come la sovrapposizione, l'entanglement e l'interferenza, che consentono un'elaborazione parallela su larga scala.
- I computer quantistici eccellono in compiti complessi come la simulazione di molecole, l'ottimizzazione della logistica e lo sviluppo di nuovi materiali, aree in cui i computer tradizionali hanno difficoltà.
- Aziende leader come Google, IBM, Microsoft e Amazon gareggiando per costruire sistemi quantistici pratici, con hardware reale già accessibile tramite il cloud.
- Sebbene sia ancora in fase sperimentale, la tecnologia quantistica sta progredendo rapidamente e nei prossimi 5-10 anni sono attese potenziali scoperte rivoluzionarie.
Il quantum computing potrebbe rivoluzionare diversi settori, dall'assistenza sanitaria alla sicurezza informatica: anche se non lo utilizzerete mai direttamente, il suo impatto vi riguarderà comunque. tion. Quindi contattate il reparto antifrode della vostra banca.
Che cos'è il quantum computing?
Il quantum computing è una forma avanzata di elaborazione basata sui principi della fisica quantistica (la scienza che studia il comportamento delle particelle minuscole come gli atomi). Mentre i bit ordinari possono essere 0 o 1, i computer quantistici utilizzano bit quantistici (qubit) che possono essere contemporaneamente sia 0 che 1.
Ciò consente ai computer quantistici di gestire enormi quantità di informazioni ed esplorare innumerevoli soluzioni possibili contemporaneamente. Sono in grado di affrontare problemi in settori come la chimica e la logistica che richiederebbero milioni di anni per essere risolti dai computer classici.
Cos'è il quantum computing spiegato in termini semplici?
Può essere difficile da comprendere. Prova a pensare al quantum computing come al tentativo di provare tutte le possibili risposte a una domanda difficile contemporaneamente, anziché una alla volta. Ciò è possibile grazie all'uso di particelle in grado di assumere più stati contemporaneamente. Ciò avviene grazie a una strana proprietà della fisica quantistica chiamata sovrapposizione, che spiegheremo più dettagliatamente di seguito.
Non è magia. È fisica molto intelligente. Sfruttando fenomeni complessi come l'entanglement, i computer quantistici sono in grado di elaborare dati complessi in parallelo. Ciò offre nuove possibilità per risolvere alcuni dei problemi più difficili al mondo.
Come funziona l'informatica quantistica?
Il quantum computing si basa sul comportamento strano e sorprendentemente potente di particelle così piccole da essere invisibili. Per comprendere appieno cosa sta succedendo, è necessario approfondire alcuni concetti chiave della fisica quantistica. Sono proprio queste regole insolite a conferire ai computer quantistici il loro vantaggio competitivo, consentendo loro di affrontare problemi complessi molto più rapidamente rispetto alle macchine che utilizziamo oggi.
Sovrapposizione
Come accennato in precedenza, la sovrapposizione è uno dei motivi principali per cui i computer quantistici possono fare ciò che fanno. Essa consente a un qubit di trovarsi in uno stato 0, 1 o, ed è qui che sta il trucco, sia 0 che 1 allo stesso tempo. Un bit tradizionale può scegliere solo uno dei due, ma un qubit non deve scegliere.
Grazie a questa capacità, un computer quantistico è in grado di verificare innumerevoli possibilità contemporaneamente. Immaginate di lavorare su un puzzle enorme: un computer classico prova un pezzo alla volta. Un computer quantistico si comporta come se provasse ogni pezzo in ogni posizione contemporaneamente, trasformando sfide enormi e dispendiose in termini di tempo in qualcosa di molto più gestibile.
Comportamento di un computer quantistico
Intreccio
L'entanglement è uno strano effetto quantistico in cui due o più qubit si connettono in modo tale da agire come un unico sistema. Una volta collegati, rimangono collegati, indipendentemente dalla distanza che li separa, sia all'interno di un laboratorio che dall'altra parte del pianeta. Se si modifica lo stato di uno, l'altro reagisce istantaneamente.
Questa connessione consente ai qubit di condividere informazioni e lavorare insieme in modi che i bit classici semplicemente non possono. Il risultato? Possono affrontare i problemi in modo molto più rapido ed efficiente, agendo meno come singoli pezzi e più come parti di una macchina coordinata e potente.
Interferenza
I computer quantistici si basano sulla natura ondulatoria delle particelle. Proprio come le onde possono amplificarsi o annullarsi a vicenda, anche gli stati quantistici possono fare lo stesso attraverso l'interferenza.
L'interferenza consente agli algoritmi quantistici di spingere (proverbialmente) il computer verso le risposte giuste e lontano da quelle sbagliate. Tale interferenza può essere controllata in modo che i computer quantistici aumentino le possibilità che emerga la soluzione corretta quando viene effettuata la misurazione finale.
Decoerenza
Uno dei maggiori grattacapi nell'informatica quantistica è un fenomeno chiamato decoerenza. Immaginate uno stato quantistico come una bolla di sapone: bella, delicata e destinata a scomparire in un istante se la toccate. Anche il rumore più lieve o la minima interferenza proveniente dal mondo esterno possono farla scoppiare.
Quando quella bolla scoppia, le informazioni contenute nei qubit collassano e l'intero calcolo va in pezzi. Per evitare che ciò accada, gli scienziati stanno lavorando a metodi per isolare i qubit dall'ambiente circostante e stanno sviluppando ingegnosi trucchi di correzione degli errori per mantenerli stabili abbastanza a lungo da ottenere una risposta utile.
Calcolo quantistico contro calcolo classico
I computer classici sono ottimi per le attività quotidiane come aprire app, riprodurre video in streaming, navigare sul web. Sono progettati per questo tipo di attività generiche e le gestiscono con facilità.
I computer quantistici, invece, danno il meglio di sé quando i problemi diventano estremamente complessi. Quando ci sono montagne di variabili e infinite possibilità da vagliare, sono in grado di trovare le risposte in una frazione del tempo. Il tipo di problemi che potrebbero tenere occupato un computer classico per secoli.
Calcolo classico
I computer classici utilizzano i bit in modo tradizionale. Si tratta dei familiari elementi costitutivi dell'informatica moderna. Come accennato in precedenza, ogni bit può trovarsi in uno stato alla volta, ovvero 0 o 1. Questo semplice sistema alimenta tutto, dal telefono ai supercomputer più avanzati.
I computer classici funzionano eseguendo calcoli passo dopo passo, seguendo istruzioni logiche per arrivare a una risposta. Elaborano i dati in modo lineare e sono incredibilmente affidabili per attività come i fogli di calcolo e persino i giochi, grazie a questo sistema di elaborazione.
Ma quando i problemi diventano più complessi, specialmente quelli con molte possibili soluzioni, i computer classici incontrano difficoltà perché devono verificare ogni opzione una dopo l'altra.
Calcolo quantistico
Abbiamo spiegato che i bit dei computer quantistici possono essere contemporaneamente sia 0 che 1, grazie al fenomeno della sovrapposizione. Ciò consente ai computer quantistici di testare molte possibili soluzioni allo stesso tempo, rendendoli ideali per determinati tipi di problemi complessi.
Questi computer sfruttano la natura parallela della meccanica quantistica. È come sollevare 10 sassi contemporaneamente per vedere cosa c'è sotto, mentre un computer tradizionale deve farlo uno alla volta.
I computer quantistici non sono più veloci in tutto. Sono progettati per integrare le macchine classiche.
Dove i computer quantistici hanno un vantaggio
I computer quantistici hanno superato la fase teorica e sono già in fase di sperimentazione in scenari reali. In determinate situazioni, si stanno dimostrando molto più adatti rispetto alle macchine tradizionali.
Un settore particolarmente interessante è quello della simulazione. I computer quantistici sono in grado di imitare il comportamento degli atomi e dei materiali quantistici in modi che i computer classici semplicemente non riescono a eguagliare. Ciò apre la strada a scoperte rivoluzionarie in campi come la chimica e la fisica, dalla progettazione di nuove forme di materia alla creazione di metodi migliori per immagazzinare l'energia.
L'ottimizzazione è un settore in cui l'informatica quantistica potrebbe davvero rivoluzionare le cose. Molte sfide quotidiane, dalla pianificazione del percorso di consegna più veloce al bilanciamento di un portafoglio di investimenti, si riducono alla selezione tra infinite possibilità per trovare quella migliore. Gli algoritmi quantistici sono in grado di gestire tutte queste variabili contemporaneamente, fornendo una soluzione ottimale in pochi istanti.
La sicurezza informatica è un altro tema importante. Un computer quantistico sufficientemente potente potrebbe violare la crittografia tradizionale in pochissimo tempo. Ma non è tutto negativo: la stessa tecnologia può aiutare a creare una crittografia quantistica sicura. Ecco perché le aziende tecnologiche stanno già correndo ai ripari per introdurre nuovi standard di sicurezza pensati per l'era quantistica.
Poi c'è la medicina. Le simulazioni quantistiche possono modellare l'interazione delle molecole a un livello incredibilmente dettagliato, aiutando gli scienziati a scoprire nuovi farmaci o materiali più rapidamente. I vantaggi potrebbero essere enormi: trattamenti innovativi disponibili per i pazienti con anni di anticipo rispetto ai metodi attuali.
Che aspetto ha un computer quantistico?
I computer quantistici non assomigliano affatto ai laptop o ai server che utilizziamo oggi. Di solito sono macchine grandi e complesse ospitate in ambienti a temperatura controllata, progettati per mantenerli il più stabili possibile.
Il cuore di molti sistemi quantistici è costituito da un dispositivo cilindrico alto chiamato criostato. Questa camera raffredda ilprocessorequantistico a temperature vicine allo zero assoluto (più fredde dello spazio esterno) perché i qubit devono funzionare in stati di energia ultra-bassa per mantenere il comportamento quantistico.
Il chip quantistico è circondato da strati di cablaggi, componenti elettronici di controllo e computer classici. I sistemi classici aiutano a preparare e misurare gli stati quantistici.
Poiché queste macchine sono grandi e delicate, la maggior parte degli utenti vi accede tramite il [cloud](malwarebytes), senza possederle o utilizzarle direttamente. Per ora, il quantum computing rimane saldamente nel mondo dei laboratori specializzati e dei servizi cloud, non nei desktop dei consumatori.
A che punto è la tecnologia dell'informatica quantistica?
Il quantum computing non è solo un concetto teorico. Oggi esistono già dei veri e propri computer quantistici. Va sottolineato che la tecnologia è ancora agli albori e che probabilmente ci vorranno ancora diversi anni prima che i computer quantistici possano essere ampiamente utilizzati nelle applicazioni quotidiane. Uno studio McKinsey ha previsto che entro il 2030 saranno in funzione 5.000 computer quantistici.
La maggior parte dei computer quantistici attuali sono sperimentali e funzionano in laboratori di ricerca specializzati. Questi primi sistemi hanno in genere solo poche centinaia di qubit. Richiedono condizioni ambientali estreme per funzionare e devono essere mantenuti a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto. Non aspettatevi di trovarli presto nei negozi.
Una delle sfide più grandi è la correzione degli errori. Come spiegato in precedenza, i qubit sono estremamente sensibili al rumore e alle interferenze, quindi i computer quantistici odierni continuano ad avere problemi di affidabilità e scalabilità.
Nel 2019, Google ha annunciato di aver raggiunto la supremazia quantistica, ovvero che il suo computer quantistico ha risolto un problema più velocemente di qualsiasi computer classico conosciuto. Sebbene quel problema specifico non fosse pratico, ha dimostrato ciò che è possibile fare.
Nel breve termine, si prevede che l'informatica quantistica fornirà valore aggiunto attraverso approcci ibridi. Ciò significa che i computer quantistici potrebbero affiancare quelli classici in problemi specifici come l'ottimizzazione delle reazioni chimiche o la simulazione di sistemi quantistici.
I progressi sono costanti e i computer quantistici potrebbero diventare più diffusi nel prossimo decennio. Potremmo assistere a ulteriori progressi in termini di affidabilità, che accelererebbero notevolmente l'informatica quantistica.
Aziende leader nel settore dell'informatica quantistica
Il quantum computing è una delle frontiere più entusiasmanti della tecnologia. Ciò ha portato alcuni dei nomi più importanti al mondo a competere per conquistare una posizione di leadership in questo settore. Molte organizzazioni stanno investendo miliardi nella realizzazione dei primi computer quantistici pratici e su larga scala.
Ogni azienda ha il proprio approccio alla risoluzione delle sfide quantistiche, utilizzando diverse strategie hardware e software. Alcune aziende stanno costruendo i propri processori quantistici, mentre altre si concentrano sui servizi cloud che consentono a ricercatori e sviluppatori di accedere alle macchine quantistiche da remoto. Tutti questi investimenti contribuiranno probabilmente ad accelerare lo sviluppo.
Google e il chip Willow
Abbiamo già spiegato come Google abbia affermato di aver raggiunto la supremazia quantistica utilizzando il suo chip Sycamore, risolvendo in 200 secondi un problema che richiederebbe migliaia di anni a un supercomputer. Da allora, Google ha lavorato alla realizzazione di un computer quantistico tollerante ai guasti in grado di gestire problemi del mondo reale. Il suo obiettivo attuale è quello di realizzare un computer quantistico utile e con correzione degli errori entro il 2029.
L'ultimo chip quantistico di Google si chiama Willow. Willow migliora i modelli precedenti con prestazioni qubit migliori e una correzione degli errori più efficace. Fa parte dell'ambizioso piano di Google volto ad aumentare la potenza dell'hardware quantistico fino a raggiungere le migliaia o milioni di qubit necessari per ottenere un vantaggio quantistico pratico, ovvero il punto in cui un computer quantistico è in grado di risolvere un problema in modo più rapido o efficiente rispetto a un cosiddetto computer classico.
Google collabora attivamente anche con partner accademici e rende open source alcuni dei suoi strumenti quantistici. Ciò ha il potenziale di espandere l'ecosistema quantistico in senso lato.
IBM e i qubit superconduttori
IBM è una delle aziende più affermate nel campo dell'informatica quantistica. Da decenni lavora sulla tecnologia quantistica ed è stata una delle prime a offrire l'accesso basato su cloud ai computer quantistici attraverso la sua piattaforma IBM Quantum.
L'approccio di IBM si basa sui qubit superconduttori, ovvero circuiti raffreddati fino a temperature prossime allo zero assoluto per mostrare un comportamento quantistico. La roadmap quantistica dell'azienda prevede un piano di espansione dagli attuali dispositivi a sistemi da 2.000 qubit, con il prossimo grande chip chiamato Blue Jay. Si prevede che sarà operativo entro il 2029.
I partner aziendali hanno già la possibilità di eseguire esperimenti e applicazioni quantistiche su hardware IBM reale tramite il cloud. IBM è anche fortemente impegnata nello sviluppo di software quantistico, contribuendo alla crescita di una suite di strumenti e piattaforme open source come Qiskit.
Microsoft e Azure Quantum
Microsoft sta adottando un approccio unico al quantum computing. L'azienda si sta concentrando sia sull'innovazione hardware che sulla creazione di uno stack software quantistico completo. Azure Quantum è la loro piattaforma cloud. Consente agli utenti di eseguire algoritmi quantistici su vari tipi di hardware grazie a partnership con diverse aziende quantistiche.
Anziché costruire un solo tipo di computer quantistico, Microsoft offre agli sviluppatori l'accesso a macchine di aziende come IonQ, Quantinuum e Rigetti. Ciò avviene tramite l'interfaccia cloud di Azure.
Microsoft sta inoltre investendo molto nei qubit topologici. Si tratta di un approccio innovativo che un giorno potrebbe portare alla realizzazione di computer quantistici più stabili e resistenti agli errori. Questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo, ma la forte strategia software-first di Microsoft e gli strumenti ibridi quantistici-classici la rendono un attore chiave nell'aiutare le aziende a esplorare il potenziale quantistico.
Azure Quantum fornisce anche potenti strumenti per lo sviluppo di algoritmi quantistici. Ciò potrebbe rendere più facile per scienziati e sviluppatori scrivere codice che potrà essere eseguito su hardware quantistico futuro.
Amazon Braket
L'ingresso Amazonnel mondo del quantum computing è disponibile attraverso la sua piattaforma cloud AWS. Amazon offre agli utenti la possibilità di testare algoritmi quantistici su hardware quantistico reale di diversi partner, senza dover costruire i propri computer quantistici.
Attraverso Braket, gli utenti possono eseguire simulazioni ed esperimenti su hardware di aziende quali IonQ e Oxford Quantum Circuits. Ciò consente a ricercatori e sviluppatori di esplorare oggi stesso le possibilità offerte dalla tecnologia quantistica.
L'obiettivo Amazonè quello di promuovere l'innovazione e la sperimentazione, fornendo al contempo strumenti di facile utilizzo per gli sviluppatori a supporto dell'ecosistema quantistico emergente. Amazon inoltre Amazon che l'accesso cloud a hardware diversificato accelererà i progressi nel campo quantistico.
Startup e laboratori di ricerca degni di nota
Alcune delle innovazioni più entusiasmanti nel campo dell'informatica quantistica provengono da startup e laboratori di ricerca di tutto il mondo.
- Rigetti. Un pioniere nei sistemi di qubit superconduttori. Rigetti offre servizi di calcolo quantistico basati su cloud e sta sviluppando chip sempre più potenti.
- IonQ. Utilizza la tecnologia a ioni intrappolati. Ciò offre un'elevata precisione e lunghi tempi di coerenza. IonQ è già un partner chiave per piattaforme cloud come AWS e Azure.
- Xanadu. Specializzata nel calcolo quantistico fotonico, che utilizza la luce al posto dei metalli super raffreddati. Ciò offre potenzialmente soluzioni quantistiche più scalabili e a temperatura ambiente.
Molte università e laboratori nazionali (tra cui il MIT e il Caltech) stanno dando il proprio contributo alla scienza quantistica. Le università spesso lavorano a stretto contatto sia con le grandi aziende tecnologiche che con le startup.
Cosa è possibile fare oggi con i computer quantistici?
I computer quantistici odierni sono ancora in una fase sperimentale iniziale. Non sono ancora pronti per sostituire i computer classici o affrontare i problemi più grandi del mondo. Tuttavia, vengono già utilizzati per la ricerca e per esperimenti di verifica del concetto.
I suddetti servizi basati su cloud consentono a ricercatori e sviluppatori di accedere a processori quantistici reali per testare nuovi algoritmi quantistici ed esplorare le potenzialità dei sistemi quantistici.
Finora, i computer quantistici sono stati utilizzati per:
- Simula piccole molecole e reazioni chimiche
- Esplora nuovi materiali a livello quantistico
- Ottimizzare i piccoli problemi logistici
- Studiare altri fenomeni quantistici come l'entanglement e l'interferenza
- Ricerca avanzata nella crittografia quantistica
Le macchine odierne sono ancora limitate in termini di dimensioni e affidabilità. Spesso gestiscono solo poche centinaia di qubit con tassi di errore relativamente elevati. Ciò significa che non sono ancora in grado di superare le prestazioni dei supercomputer classici nella maggior parte delle attività reali. Per ora, i computer quantistici sono principalmente uno strumento di ricerca.
Cosa succederà dopo
I prossimi anni porteranno importanti progressi nel campo dell'informatica quantistica. Le aziende e i ricercatori si stanno concentrando su diverse aree chiave. Una delle sfide principali è aumentare il numero di qubit affidabili mantenendone la qualità. Le aziende stanno lavorando per potenziare i propri processori quantistici da centinaia a migliaia (e infine milioni) di qubit.
I ricercatori stanno sviluppando nuove tecniche per affrontare il problema della stabilità. Una svolta fondamentale avverrà quando avremo un modo migliore per stabilizzare i qubit e correggere automaticamente gli errori durante i calcoli.
La maggior parte degli esperti prevede che tra 5-10 anni inizieremo a vedere i vantaggi pratici della tecnologia quantistica, con i computer quantistici che supereranno quelli classici in applicazioni specifiche e di grande valore.
Con il miglioramento dell'hardware, i computer quantistici inizieranno a fornire un valore reale in settori quali:
- Farmaci. Simulazione di molecole per progettare nuovi farmaci
- Scienza dei materiali. Alla scoperta di nuovi materiali con proprietà uniche
- Finanza. Ottimizzazione delle strategie di investimento e analisi dei rischi
- Logistica. Risoluzione di problemi complessi relativi ai percorsi e alla catena di approvvigionamento
Sfide e limiti
Nonostante le loro promesse, oggi i computer quantistici devono affrontare sfide e limiti importanti.
Come già detto, i qubit sono fragili e soggetti a errori, un problema noto come decoerenza. Ciò rende difficile eseguire calcoli lunghi e affidabili.
I sistemi devono essere isolati dalle vibrazioni e dotati di schermatura elettromagnetica. La costruzione e la manutenzione di questi sistemi sono complesse e costose. Non è qualcosa che può essere facilmente scalabile.
In termini di potenza pura, le macchine quantistiche odierne sono ancora limitate. Per le attività quotidiane come l'elaborazione di testi o i fogli di calcolo, un normale laptop è molto più pratico. I computer quantistici non sono progettati per sostituire i dispositivi tradizionali nelle attività quotidiane e probabilmente non lo saranno mai.
Superare queste sfide richiederà anni di ricerca, ma i potenziali vantaggi rendono questa sfida degna di essere affrontata.
Perché è importante per te
Il quantum computing non riguarda solo la scienza teorica o le grandi aziende tecnologiche che competono per conquistare i titoli dei giornali. È una tecnologia che potrebbe trasformare silenziosamente il mondo che ci circonda. Il futuro del quantum computing avrà un impatto su tutti.
Abbiamo già accennato al fatto che l'informatica quantistica potrebbe aiutare a scoprire nuovi farmaci e trattamenti per le malattie più rapidamente che mai. I ricercatori possono prevedere come i nuovi farmaci interagiranno con il corpo umano esaminandoli e simulandoli a livello quantistico. Ciò ha il potenziale di accelerare le sperimentazioni cliniche e ridurre i costi. Ciò potrebbe portare a scoperte rivoluzionarie nel trattamento di malattie che sono state un problema nel corso della storia umana.
È anche promettente per risolvere complesse sfide energetiche e climatiche. Le simulazioni quantistiche potrebbero aiutarci a progettare batterie migliori e a migliorare l'efficienza delle celle solari. Consentono inoltre agli scienziati di modellare con maggiore precisione i sistemi climatici su larga scala e potrebbero aprire nuove porte. Questi potrebbero essere nuovi potenti strumenti nella lotta contro il cambiamento climatico.
Un altro settore in cui l'informatica quantistica avrà un impatto diretto sulla vostra vita è quello della sicurezza informatica. Molti dei metodi di crittografia più diffusi oggi sono algoritmi che proteggono i vostri conti bancari, i vostri messaggi personali e i vostri dati. Si basano su problemi matematici che i computer classici faticano a risolvere.
Un computer quantistico sufficientemente potente potrebbe decifrare questi codici in pochi minuti. Ecco perché i ricercatori stanno ora correndo per sviluppare una crittografia quantistica sicura in grado di resistere alle capacità delle future macchine quantistiche.
Allo stesso tempo, l'informatica quantistica potrebbe anche consentire forme di crittografia più potenti. Tecniche come la distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) potrebbero rendere possibile la creazione di canali di comunicazione praticamente impossibili da hackerare secondo le ipotesi attuali e garantire la privacy dei dati sensibili per i prossimi decenni.
Nelle mani giuste, l'informatica quantistica ci rende più sicuri. Nelle mani sbagliate, potrebbe rappresentare un grave pericolo.
Anche se non utilizzerete mai direttamente un computer quantistico, i settori industriali su cui fate affidamento saranno tutti influenzati dalle sue capacità. In breve: il quantum computing potrebbe ridefinire le fondamenta del mondo digitale con cui interagite ogni giorno.
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