Computer quantistici: cosa sono e come funzionano? VIDEO

Continua oggi il nostro viaggio all'interno della Fondazione Bruno Kessler. In questa seconda parte dell'intervista, approfondiamo i temi della ricerca con il Dott. Martino Bernard (Centro Sensors and Devices).

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Parte 2

Secco Marco: Chiarissimo, grazie per questa visione. Adesso le faccio una domanda un po' da "nerd" di vecchio stampo. Solitamente misuriamo le CPU in potenza di calcolo con diversi sistemi, mentre per un computer quantistico sento parlare spesso di qubit fisici e qubit logici per misurare questa, tra virgolette, "potenza di calcolo". Ci spiega la differenza tra i due e quanti ne serviranno, in teoria, per violare la cifratura odierna?

Dott. Bernard: Allora, la questione in realtà è piuttosto semplice. I qubit fisici sono quelli realizzati fisicamente nell'hardware; sono sostanzialmente il numero di stati quantistici che vogliamo utilizzare per fare il nostro computer.

Però c'è da dire che in questo momento la tecnologia è in via di sviluppo e, come ho detto prima, questi stati sono piuttosto fragili: sono facili da perturbare e quindi non si riesce a garantire la pulizia e la stabilità degli stati quantistici per operazioni lunghe o per eseguire algoritmi complessi. Questo perché lo stato può avere valori arbitrari e non viene rigenerato ad ogni passaggio, come invece fanno i bit classici.

Per ovviare a questo problema, esistono degli algoritmi quantistici che, al prezzo di utilizzare più qubit (chiamati ausiliari), riescono a mantenere l'informazione quantistica anche in un ambiente rumoroso; in pratica, aggiungono un po' di ridondanza. La cosa non è nuova: l'articolo che dimostra questa tecnologia si basa, di fatto, sull'analogo classico, ovvero i codici a correzione d'errore (Error Correction Codes) usati nei computer classici, dove c'è comunque un bit error rate e quindi bisogno di un codice di correzione e bit di ridondanza.

Chiaramente, dato che i qubit in questo momento costano di più per la tecnologia di sviluppo, i qubit fisici che si riescono a implementare rappresentano il limite fisico di realizzazione. I qubit logici, invece, sono quelli che posso usare effettivamente per il mio algoritmo e sono quelli che contano per sapere cosa posso eseguire sul mio computer.

Secco Marco: Bene, sono contento di aver sentito parlare di CRC, mi fa sentire un po' meno vecchio di quando lavoravo sulle linee seriali dove erano un must. Sono contento per questo.

Adesso le faccio una domanda che mi permette un po' di scherzare, perché spesso vediamo i computer quantistici, nelle varie foto in giro, rappresentati come una sorta di complessi lampadari dorati. Tuttavia, come accennava prima, la vostra Fondazione ha un approccio alternativo: utilizzate fotoni, sostanzialmente la luce, che possono operare a temperatura ambiente, al contrario dei qubit basati su superconduttori (usati da Google o IBM) che richiedono temperature vicine allo zero assoluto. Ci può spiegare perché la Fondazione ha voluto puntare anche su questa tecnologia fotonica e quali vantaggi comporta?

Dott. Bernard: Certo. In realtà la Fondazione avanza in entrambe le direzioni. La mia collega Federica Mantegazzini dirige un gruppo di ricerca sui Superconducting Quantum Devices che usa proprio questa tecnologia "a lampadario". Quel lampadario, in realtà, è un frigorifero estremamente potente in cui, a ogni piano, la temperatura si abbassa fino ad arrivare in fondo a -273 gradi, molto vicino allo zero assoluto. Questo perché quella è la temperatura a cui lavorano i superconduttori.

Il vantaggio della tecnologia a superconduttore è che lì si realizzano oggetti piuttosto macroscopici. Di fatto si vedono a occhio nudo: se uno prende quei microchip, vede le strutture. Sono quindi un po' più facili da gestire e manovrare, per modo di dire. La parte difficile è che servono questi giganteschi frigoriferi, quindi si possono realizzare solo in centri specializzati o in cluster di calcolo dedicati. IBM non ti dà il suo computer quantistico da mettere sulla scrivania, ma ti dice: "puoi usare la mia potenza di calcolo nel server che ho qui, oppure devi dedicarci una stanza intera".

Per questo abbiamo sviluppato anche la tecnologia fotonica. La linea di ricerca di cui mi occupo io, nel gruppo Integrated Quantum Optics, usa la luce visibile infrarossa come particella quantistica. Mentre è un po' più difficile generare e liberare i singoli fotoni, le particelle di luce non interagiscono tra loro: sono quindi intrinsecamente robuste al rumore e hanno il grosso vantaggio che possiamo fare sorgenti e detector di singoli fotoni a temperatura ambiente.

Questo vuol dire che si possono mettere veramente in un computer su una scrivania. Di fatto i nostri prototipi, in questo momento, sono grandi più o meno come una scheda video e usano le risorse di una GPU in termini di occupazione spaziale e di corrente. Sono quindi già molto vicini a essere implementati all'interno di un sistema come un computer.

Secco Marco: Guardando un attimo al futuro, quali applicazioni pratiche potranno, secondo lei, essere sfruttate dalle aziende grazie ai computer quantistici, magari utilizzando proprio la vostra tecnologia?

Dott. Bernard: Allora, finora abbiamo parlato di computer quantistici in modo un po' improprio e generico. In realtà esistono computer veri e propri, che svolgono calcoli eseguendo algoritmi come i computer a cui siamo abituati. Ci sono però anche altre classi di macchine quantistiche: i simulatori quantistici. Sono sistemi che sfruttano la natura intrinsecamente quantistica dell'informazione che viaggia al loro interno per simulare un altro sistema quantistico.

Perché è interessante? Perché, per esempio, le molecole dei farmaci sono sistemi quantistici estremamente difficili da simulare analiticamente (a livello numerico) con un computer classico. Se invece riesco a realizzare un analogo quantistico, posso "interrogare" l'analogo e questo, per sua natura, mi dà la risposta su come funzionerebbe la molecola.

Ci sono anche altre classi di macchine quantistiche, per esempio i Quantum Annealer, che sono invece specializzate nell'ottimizzare dei problemi. Anziché cercare la soluzione con un algoritmo, si lascia che le particelle quantistiche esplorino gli stati possibili e trovino uno stato preferito. Questo risolve un sacco di problemi di ottimizzazione, per esempio di portfolio finanziario, oppure la ricerca dei minimi di potenziale per trovare il ground state di sistemi complessi come proteine o molecole. Esistono diversi tipi di macchine quantistiche, ciascuna con la sua applicazione specifica.

Secco Marco: Quindi, viste le dimensioni, i circuiti che producete potranno un giorno essere integrati in oggetti di uso comune come PC, smartphone, smartwatch? E soprattutto, quali benefici e nuove funzionalità potrebbe abilitare questa tecnologia in ambito di uso comune?

Dott. Bernard: Come dicevo prima, il nostro prototipo è già grande più o meno come una scheda video, quindi in principio potrebbe già entrare all'interno di un PC, anche se in questo momento la sua potenza di calcolo non è grande e ci stiamo lavorando. Serve sforzo tecnologico, chiaramente. Siamo sicuri che questa strada funziona, ma ci vuole tempo e investimento nella tecnologia.

Non c'è motivo di ritenere che le funzionalità non potranno essere ulteriormente miniaturizzate da livello di scheda a livello di chip, e quindi essere inserite anche in uno smartphone.

In termini di applicazioni dirette, questi computer fotonici al momento non sono molto potenti, però ti permettono di eseguire alcune operazioni quantistiche già sul tuo telefono, accedendo a una serie di funzionalità direttamente dal device. Ad ora esistono, per esempio, dei canali di comunicazione basati sulla crittografia quantistica — cioè sullo scambio di particelle quantistiche — e sono già commerciali. Oggi uno può comprare due "scatoline" grandi più o meno così, attaccarsi alla fibra e avere un canale di crittografia sicuro.

Secco Marco: Interessante. Adesso che abbiamo convinto i nostri lettori e ascoltatori, le faccio una domanda un po' più leggera e provocatoria. Quando potremo comprare un computer quantistico su Amazon, se mai sarà tecnicamente possibile?

Dott. Bernard: Allora, diciamo che difficilmente compreremo un computer quantistico su Amazon nel senso che intende lei, perché in questo momento è già possibile comprare "tempo di calcolo" dei processori quantistici, esattamente come si compra il tempo di calcolo per un server Azure. Quindi, in questo senso, direi che ci siamo già.

Questo perché la tecnologia più matura, che costruisce le macchine quantistiche più grandi, è quella dei superconduttori. Un superconduttore ha bisogno di questi grandi "lampadari" che necessitano di una stanza attorno; è quindi conveniente avere il server nell'azienda specializzata e demandare la computazione direttamente a loro. Quindi non mi conviene comprare un computer quantistico fisico su Amazon, mi conviene comprare tempo di calcolo.

Secco Marco: Perfetto, benissimo. Siamo in conclusione. Le chiederei di lasciare un messaggio ai giovani e alle startup che potrebbero essere interessate all'attività della Fondazione, per trasmettere un po' di entusiasmo alle nuove generazioni sull'importanza della ricerca scientifica e tecnologica e sulle opportunità che essa offre.

Dott. Bernard: Ci sono così tante cose da dire. Io ho sempre voluto fare lo scienziato e fare ricerca; l'entusiasmo è il carburante di questo stile di vita. Nella Fondazione, in questo momento, ho attive collaborazioni con due startup e due aziende; direi che le opportunità di fare ricerca e vederla applicata in termini di prodotto domani sono molte. "Domani" vuol dire che serve qualche anno di ricerca e sviluppo insieme.

Secco Marco: Perfetto, la ringrazio per il tempo che ci ha dedicato. I link saranno in bio, nel testo del podcast e dell'articolo, per poter vedere quelle che sono le attività della Fondazione Bruno Kessler di Trento. Io la ringrazio e alla prossima. Ciao a tutti.

Link

· Fondazione Bruno Kessler Trento [https://www.fbk.eu/it/]

· Magazine FBK [https://magazine.fbk.eu/it/]

· Dott. Martino Bernard [https://magazine.fbk.eu/it/spotlight/martino-bernard/]

· Per ascoltare l'intervista su Spotify: Next Level Enterprise - La rivoluzione quantistica - Harware quantistico.

Per maggiori informazioni:

Sito web: www.seccomarco.com

LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/marco-secco-pqc/