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Il computer del futuro

Il computer quantistico arriva nel business. Ecco cos'è, come funziona e quali sono le prime applicazioni commerciali

Il quantum computing, benché agli albori, già esiste ed è utilizzato: dai modelli finanziari al farmaco personalizzato, dalle previsioni metereologiche alla crittografia. L’innovazione corre veloce e tra pochi anni saranno molte le aziende che potranno acquistarli. Ecco come funzionano i computer quantistici, chi li sta sviluppando e quali sono i nodi ancora da sciogliere

16 Dic 2019

Patrizia Licata

La svolta l’ha dettata Ibm, quando ha presentato (a febbraio, al Consumer electronics show di Las Vegas) il primo computer quantistico commerciale, l’Ibm Q System One. La potenza del quantum computing e della fisica subatomica è uscita dai laboratori per entrare nel mondo del business: il computer quantistico di Ibm, tramite il cloud, può essere impiegato dalle aziende per applicazioni commerciali che vanno dai modelli finanziari al farmaco personalizzato, dalle previsioni metereologiche alla crittografia.

In questa corsa ai computer che sfruttano le leggi della meccanica quantistica Ibm deve vedersela con Google, che in California ha un Quantum Artificial Intelligence Lab dedicato alla ricerca e sviluppo quantistico. Il laboratorio unisce strettamente il lavoro di Big G sull’intelligenza artificiale e quello sul calcolo quantistico focalizzandosi sullo sviluppo di semiconduttori e algoritmi dedicati; il direttore John Martinis, uno dei massimi esperti di ricerca quantistica, ha dichiarato che Big G è vicina alla creazione di un computer che sarà in grado di dimostrare la “quantum supremacy”, la superiorità del calcolatore quantistico sui supercomputer tradizionali.

Ma sono tanti i centri di ricerca e le aziende che in tutto il mondo investono sullo sviluppo del quantum computing. L’Europa, con la “Quantum Flagship Initiative”, ha messo in campo 1 miliardo di euro in dieci anni a partire dal 2018.

Computer quantistico e qubit: che cos’è e come funziona

I quantum computer sono calcolatori che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica, quella che studia le particelle subatomiche. La loro unità fondamentale è il bit quantistico o qubit, legato allo stato in cui si trova una particella o un atomo e le cui peculiarità permettono di svolgere i calcoli in modo molto più veloce.

Infatti, mentre nel metodo computazionale classico ogni bit è rappresentato da zero o uno (sistema binario), nel computing quantistico il qubit può essere 0-1 o zero e uno contemporaneamente. Questo è possibile grazie alla sovrapposizione degli stati quantistici, che abilita i calcoli in parallelo (anziché uno alla volta), moltiplicando esponenzialmente potenza e velocità anche per calcoli estremamente complessi, riducendo i tempi di elaborazione da anni a minuti.

Oltre alla sovrapposizione di stati i qubit hanno altre proprietà specifiche che derivano dalle leggi della fisica quantistica come l’entanglement, cioè la correlazione tra un qubit ed un altro, da cui deriva una forte accelerazione nel processo di calcolo.

Peculiarità e problematiche del quantum computing

Lo stato subatomico crea anche delle problematiche che il quantum computing deve superare. La prima sfida è mantenere la qualità dei qubit, potenti ma delicati: perdono rapidamente le loro speciali qualità quantiche (in circa 100 microsecondi) a causa di fattori quali le vibrazioni e le fluttuazioni della temperatura dell’ambiente e le onde elettromagnetiche. Le particelle sono volatili e fragili, proprio perché cambiano stato, e potrebbero causare la perdita di dati e informazioni utili al processo di calcolo.

Per il funzionamento della tecnologia quantistica, inoltre, sono necessarie temperature molto basse vicino allo zero assoluto (circa -273° C). Per ottenerle finora il metodo più comune è ricorrere ai gas liquefatti (come l’isotopo elio-3), ma è un sistema molto costoso. Un team di ricercatori della TUM (Technical University of Munichha recentemente sviluppato un sistema di raffreddamento magnetico per temperature estremamente basse, adatto per l’elettronica quantistica, che evita il ricorso all’elio-3 ed è già commercializzato dalla startup Kiutra.

Ibm e la community quantistica sul cloud

Ibm ha inaugurato l’era dei computer quantistici nel 2001 creando all’Almaden Research Center un elaboratore quantistico a 7 qubit. Nel 2017 ha realizzato e reso operativi due computer quantistici rispettivamente a 16 e 17 qubit. A febbraio 2019 al Ces di Las Vegas Ibm ha annunciato un computer da 20 qubit, ma neilaboratori è arrivata a simulare il funzionamento del computer quantistico a 56 qubit, un livello considerato da supercomputer. A ottobre l’azienda inserirà nel suo arsenale di super-macchine quantistiche un computer da 53 qubit, portando a 14 il totale dei suoi quantum computer.

Al Ces Ibm ha anche presentato il Q System One, il primo sistema di elaborazione quantistica “integrato e universale” progettato sia per la ricerca scientifica che per l’uso commerciale e ha annunciato l’apertura del suo primo Q Quantum computation center a Poughkeepsie, New York, dove saranno ospitati alcuni dei più avanzati sistemi quantistici di Ibm basati su Ibm cloud. Questi sistemi saranno aperti ai membri di Ibm Q Network, il programma commerciale di quantum computing di Ibm.

Nel suo nuovo sistema integrato Ibm ha previsto una serie di componenti custom quali hardware quantistico per produrre qubit di qualità, ingegneria criogenica, per mantenere isolato e opportunamente raffreddato l’ambiente quantico, elettronica di alta precisione, firmware quantistico per la gestione e gli aggiornamenti automatici più computazione classica per fornire accesso sicuro al cloud.

Google, la “supremazia quantistica” e la competizione con Ibm

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Sicurezza

La ricerca di Google e del suo Quantum AI Lab ha permesso nel marzo del 2018 di sfornare un chip per computer quantistici da 72 qubit, chiamato Bristlecone. Nei giorni scorsi il Financial Times ha riportato (in base a un blog post di un ricercatore di Google successivamente rimosso) che Google aveva ottenuto la supremazia quantistica, svolgendo in 3 minuti un’elaborazione che ad Ibm Summit (il supercomputer commerciale più veloce al mondo, non quantistico) avrebbe richiesto 10.000 anni. L’esperimento sarebbe stato eseguito con un processore da 53 qubit con nome in codice Sycamore. Ma la notizia non è stata confermata da Google e la stessa comunità scientifica è rimasta scettica: chi potrà controllare che il calcolo sia corretto? Nessun altro computer può verificarlo.

A ottobre è però arrivata la conferma di Google: il colosso del digitale ha spiegato, in uno studio apparso su Nature, di essereriuscito ad effettuare in 3 minuti e 20 secondi un calcolo estremamente complesso utilizzando il suo chip quantistico Sycamore a 53 qubit, e ha annunciato di aver raggiunto la supremazia quantistica. Gli scienziati di Google sostengono che un supercomputer Ibm Summit – il più potente oggi al mondo – ci avrebbe messo 10.000 anni. Pronta la replica di Ibm: una configurazione diversa di Summit, con capacità di storage aggiuntiva, avrebbe permesso di risolvere l’operazione (scovare schemi ricorrenti in una serie casuale di numeri) al massimo in 2 giorni e mezzo e con maggior precisione. “I computer quantistici non regneranno mai ‘supremi’ sui computer tradizionali – ha chiarito Dario Gil, director of research di Ibm – ma lavoreranno insieme, ognuno sfruttando le loro caratteristiche specifiche”. Anche per Torsten Siebert, direttore del programma di ricerca sul quantum computing della tedesca Fraunhofer Society, “il progresso probabilmente sarà raggiunto tramite combinazioni ibride. E per ilcolosso dei chip Intel “la quantum practicality” è ben lontana: un conto sono gli esperimenti in laboratorio e un conto sono gli utilizzi reali.

Google resta convinta della portata del suo risultato e del suo valore commerciale: “Speriamo che quando le persone cominceranno a usare questa tecnologia e a vedere la stabilità delle prestazioni e l’interfaccia cloud, si entusiasmeranno per quello che Google ha da offrire“, secondo le dichiarazioni riportate da Reuters di John Martinis, chief scientist for quantum hardware dell’azienda di Mountain View.

Nel Quantum AI Lab Google ha creato anche un chip per computer quantistici da 72 qubit, chiamato Bristlecone, e per molti esperti la supremazia che Google sta effettivamente già raggiungendo è quella su processori e algoritmi. Big G sta conducendo esperimenti con un nuovo circuito basato su una griglia di 49 qubit, mentre sul fronte del software ha annunciato l’anno scorso la versione alpha di Cirq, framework open source per computer quantistici NISQ che permette ai ricercatori del quantum computing di scrivere gli algoritmi quantistici per processori quantistici.

La sigla NISQ sta per Noisy Intermediate Scale Quantum e indica la maggior parte dei computer quantistici realizzati e verificabili al momento. Sono “noisy” per l’elevata rumorosità (che tra l’altro ne limita le prestazioni incidendo sulla griglia di qubit) e sono “Intermediate-Scale” perché rientrano nella fascia dei 50-100 qubit: superano le prestazioni dei supercomputer standard ma – dicono gli scienziati – solo potenze che vanno oltre i 100 qubit potranno rendere veramente rivoluzionario il calcolo quantistico.

Altri player nell’arena: Microsoft, D-Wave, Intel, Amazon e Samsung

Tra le altre aziende impegnate nel computing quantistico c’è Microsoft, che ha sviluppato il linguaggio di programmazione Q# e rilasciato un “Quantum Development Kit” per aiutare i programmatori a sviluppare le applicazioni. Il nodo del software è cruciale: i computer quantistici hanno bisogno di algoritmi dedicati.

Tra i produttori di macchine e processori spicca invece la canadese D-Wave Systems, che ha venduto il primo computer quantistico per scopi di ricerca alla Lockheed Martin nel 2011 e il cui computer quantistico D-Wave two con processore a 512 qubit si trova dal 2013 nel Quantum Artificial Intelligence Lab di Google per sperimentazioni condotte con la Nasa. La società canadese ha annunciato anche il D-Wave 2000Q, supercomputer quantistico con un processore da 2000 qubit. Sono prestazioni che superano i limiti dei NISQ e aprono le porte alla nuova era dell’informatica, ma non sono mancate le polemiche sulla natura “quantistica” delle macchine e dei processori di D-Wave e sulla verificabilità dei suoi risultati.

Il colosso dei chip Intel, tramite i suoi Intel Labs, ha svelato a dicembre quello che definisce il primo chip di controllo criogenico: nome in codice Horse Ridge, sarà in grado di accelerare lo sviluppo dei sistemi di quantum computing full-stack, consentendo quella “praticabilità” dei supercomputer quantistici che la stessa azienda californiana ha contestato alla rivale Google. Horse Ridge consentirà il controllo di più quantum bit e traccerà la strada verso il ridimensionamento di sistemi più grandi, spiegano i ricercatori di Intel Labs.

Quest’anno nell’arena del quantum computing è entrato con decisione anche il colosso dell’elettronica coreano Samsung investendo nella startup americana IonQ. La società del Maryland del calcolo quantistico ha raccolto 55 milioni di dollari nel suo più grande round di finanziamento guidato da Samsung Catalyst Fund e da Mubadala Capital (che fa capo al governo degli Emirati Arabi Uniti). IonQ possiede già 4 computer quantistici realizzati con le sue tecnologie e usati da enti di ricerca che ne affittano la potenza di calcolo. Sono macchine diverse da quelle della concorrenza, sottolinea il Ceo Peter Chapman, e col potenziale di rivoluzionare il mercato: i computer quantistici di IonQ, infatti, non devono essere mantenuti in ambienti con temperature vicine allo zero assoluto (come accade per i competitor), ma funzionano a temperatura ambiente. Inoltre, la maggior parte delle componenti è disponibile off-the-shelf, anche qui a differenza di quanto fanno molti dei produttori rivali. Ciò abbatte enormemente i costi di realizzazione e manutenzione aiutando ad avvicinare il calcolo quantistico all’uso commerciale. Il vero cuore delle macchine quantistiche di IonQ è però il chip, un prodotto ad hoc che la startup americana si fa realizzare da un fornitore esterno.

Anche Amazon ha deciso di entrare nell’arena del computer quantistico lanciando Braket, un servizio completamente gestito offerto all’interno del portafoglio di servizi cloud di AWS (Amazon Web Services) che permette di iniziare a usare il computing quantistico offrendo un ambiente di sviluppo in cui esplorare e progettare gli algoritmi quantici, testarli su computer quantici simulati e applicarli alle varie tecnologie quantistiche. I clienti AWS hanno accesso a hardware dedicato al computing quantistico per l’esecuzione degli algoritmi e l’ottimizzazione dei progetti. Come spiega AWS, è “un servizio che consente a sviluppatori, ricercatori e scienziati di esplorare, valutare e sperimentare con il computing quantistico. Amazon Braket permette di progettare gli algoritmi quantici partendo da zero o scegliendo da una serie di algoritmi predefiniti. Dopo la definizione dell’algoritmo, Amazon Braket offre un servizio di simulazione completamente gestito per semplificare la risoluzione dei problemi e per verificare l’implementazione. Quando sei pronto puoi eseguire il tuo algoritmo su vari computer quantistici a tua scelta, compresi i superconduttori basati sul gate di Rigetti, i superconduttori a ricottura quantistica di D-Wave e i computer con trappola ionica di IonQ. Per semplificare lo sviluppo di algoritmi ibridi che uniscano attività classiche e quantistiche, Amazon Braket aiuta a gestire le classiche risorse di elaborazione e a instaurare connessioni a bassa latenza con l’hardware quantistico. Con Amazon Braket puoi esplorare il computing quantistico, valutarne il potenziale e sviluppare le tue competenze per il futuro”.

Le applicazioni già usate oggi

Al di là di problematiche e sperimentazioni che restano in laboratorio, il quantum computing, benché agli albori, già esiste e ha degli early adopters. Un nuovo studio di Reply, realizzato grazie alla piattaforma proprietaria di rilevamento e monitoraggio delle tendenze “trend SONAR”, ha individuato i settori in cui si sta sviluppando il maggior numero di applicazioni commerciali: Informatica, Servizi finanziari, Logistica e trasporti, Cybersecurity.

Nell’informatica, per esempio, il calcolo quantistico viene applicato per la rilevazione di anomalie statistiche, verifica e validazione dei software, addestramento delle reti neurali, classificazione di dati non strutturati. Gli analisti di Morgan Stanley prevedono che il mercato del computer quantistico di fascia alta arriverà quasi a raddoppiare entro il 2025, raggiungendo un giro d’affari di 10 miliardi di dollari l’anno.

Nei servizi finanziari il calcolo quantistico viene sfruttato, tra l’altro, ai fini del rilevamento di instabilità dei mercati, per lo sviluppo di strategie di trading, simulazioni di mercato, ottimizzazione dei portafogli, previsioni finanziarie. I protagonisti del settore, per importanza del brand e degli investimenti realizzati sono Goldman Sachs, RBS e Citigroup.

Nella Supply Chain e trasporti si contano progetti che sfruttano le potenzialità del quantum computing per la gestione del traffico, i veicoli a guida autonoma, l’ottimizzazione della rete di ricarica elettrica. All’inizio del 2018, l’annuncio di Daimler e Honda di acquisire computer quantistici Ibm ha dato un impulso all’interesse a agli investimenti di società impegnate in questo campo di ricerca, comprese anche alcune società aerospaziali. Volkswagen si è invece alleata con Google per programmi di gestione del traffico urbano.

La quantum cybersecurity

C’è un altro aspetto del computing quantistico che è molto rilevante: quello legato alla sicurezza informatica. Una potenza come quella quantistica richiede di riprogettare i metodi di protezione delle comunicazioni, delle transazioni e di qualunque tipo di trasferimento di dati: potenzialmente, i computer quantistici possono superare tutte le barriere della tradizionale crittografia. Di qui la corsa allo sviluppo di una nuova crittografia quantistica, basata su misure sofisticate come la distribuzione di chiavi quantiche, algoritmi a sicurezza quantistica e generatori di numeri casuali quantici. La quantum cybersecurity sarà la base delle reti di comunicazione quantistica, abbinando alla potenza e velocità anche la sicurezza. Ed è qui che è scesa in campo anche l’Europa.

Scende in campo l’Europa (con l’Italia)

L’Ue si è interessata allo specifico campo della crittografia quantistica con il progetto pilota OpenQkd (Open European quantum key distribution testbed), che installerà un’infrastruttura di test per le comunicazioni quantistiche nei paesi europei. Questa infrastruttura incorpora la Qkd (Quantum key distribution o distribuzione quantistica di chiavi crittografiche), una forma di cifratura ultra-avanzata basata sulla trasmissione di segnali ottici e non radio e per questo inviolabile anche ai computer quantistici. L’obiettivo del progetto europeo è potenziare la sicurezza dello scambio di informazioni in settori di rilevanza critica, a partire dalle telecomunicazioni, ma con un focus anche su reti elettriche, sanità e servizi pubblici. OpenQkd è finanziato dalla Commissione europea con 15 milioni di euro e durerà fino al 1 settembre 2022.È coordinato dall’AIT (Austrian Institute of Technology) e coinvolge un team interdisciplinare di 13 paesi europei; dovrà validare dei casi d’uso concreti e sviluppare un ecosistema di innovazione, includendo università, Pmi e start-up.

L’Italia partecipa al progetto con il gruppo di ricerca QuantumFuture del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione dell’Università di Padova, una delle avanguardie internazionali nella ricerca sulle tecnologie quantistiche grazie agli studi sulla fattibilità delle comunicazioni quantistiche satellitari (in collaborazione con il Centro di Geodesia spaziale dell’Agenzia spaziale italiana a Matera), la generazione e il controllo di fenomeni quantistici come l’entanglement per investigare principi base della meccanica quantistica, lo sviluppo di nuovi dispositivi di fotonica integrata per applicazioni di crittografia quantistica e l’ideazione di nuovi schemi per produrre gli stati quantistici fruttati nella realizzazione di sistemi di Qkd.

L’Italia partecipa anche alla citata “Quantum Flagship Initiative” della Commissione europea: il fisico Tommaso Calarco è stato uno dei promotori e il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) coordinerà le attività del nostro paese legate a questa iniziativa.

Sempre in ambito CNR, il Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino) di Firenze, in collaborazione con il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (Lens) di Firenze, ha effettuato il primo test sul campo italiano di un sistema di crittografia quantistica (Qkd), passo iniziale per la futura realizzazione dell’Italian quantum backbone (Iqb), ovvero la rete italiana di comunicazione quantistica, capace di garantire la privacy degli utenti e sicurezza dei dati, a prova di cyber-attacchi. Per effettuare il test è stato sfruttato come canale di trasmissione una porzione della dorsale italiana in fibra ottica, una rete di circa 1.800 km realizzata dall’Istituto nazionale di ricerca metrologica (Inrim) di Torino che collega l’Italia da Torino a Matera.

Tra le emergenti tecnologie quantistiche che si prospetta entrino a far parte nella nostra vita di tutti i giorni già dal prossimo futuro – spiega il Cnr -, la crittografia è senza dubbio quella in stato più avanzato. Infatti, questa tecnologia è già abbastanza matura per una sua massiccia applicazione al di fuori dei laboratori di ricerca. Questo metodo permette di distribuire in modo sicuro le chiavi di autenticazione, come pin e password, codificando l’informazione su stati quantistici della luce e consentendo di rivelare una potenziale intrusione grazie alle leggi fondamentali della fisica quantistica, come il principio di indeterminazione di Heisenberg.

L’Europa si sta dotando di una innovativa rete per le comunicazioni quantistiche, EuroQCI, che combina l’utilizzo di fibre ottiche commerciali con quello di satelliti dedicati. In Italia, paese all’avanguardia nelle comunicazioni quantistiche e fra i paesi fondatori della EuroQCI, si sta lavorando sempre più alla possibilità di integrare questa tecnologia con le reti e le infrastrutture in fibra ottica già installate, che utilizziamo quotidianamente per telecomunicazioni. “L’Italia può ambire ad avere un ruolo fondamentale nello sviluppo futuro delle tecnologie quantistiche su fibra ottica”, afferma Davide Calonico, ricercatore Inrim e coordinatore dell’infrastruttura nazionale in fibra ottica Quantum Backbone.

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Nelle linee guida politiche presentate per la Commissione europea 2019-2024 dalla nuova presidente Ursula von der Leyen le strategie digitali occupano una posizione di primo piano e il calcolo quantistico – insieme a 5G, intelligenza artificiale, blockchain – è tra le tecnologie su cui l’Europa vuole fondare la propria competitività sullo scenario globale. Per tenere testa ai concorrenti che vengono da Stati Uniti, Cina e Corea, l’Unione europea giocherà la carta dello sviluppo all’insegna dell’etica, della sicurezza, della privacy e dell’equità fiscale per proporre un nuovo modello agli altri paesi. “Definiremo insieme degli standard per questa nuova generazione di tecnologie che diventeranno la norma globale”, ha indicato von der Leyen. Il potenziale innovativo di dati, AI, calcolo quantistico e blockchain può essere liberato trovando “la via europea”, in equilibrio tra libero flusso e ampio uso dei dati e difesa della privacy, della sicurezza e degli standard dell’etica.

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