Computer e tecnologie quantistici: l’occasione da non perdere tra fantascienza e realtà

di Matteo Barbone

 

«Non si fanno esperimenti con (singoli elettroni e atomi) più di quanto non si allevino Ictiosauri allo zoo». Così scriveva, nel 1952 a mezzo secolo dagli albori della celebre teoria fisica, Erwin Schrödinger, uno dei padri della meccanica quantistica, non propriamente ottimista riguardo la possibilità di utilizzare sistemi governati da leggi quantistiche per applicazioni tecnologiche.

 

Una cinquantina d’anni più tardi, proprio grazie al sopraggiunto controllo su singole particelle alla scala atomica, i primi gruppi di ricerca iniziano a realizzare computer quantistici elementari, culminati negli annunci di Google nel 2019, e dell’Università Cinese di Scienza e Tecnologia a Hafei nel 2020, le cui macchine per la prima volta svolgono calcoli ritenuti impossibili per un computer non quantistico. Al contempo, di Ictiosauri negli zoo ancora non se ne vedono.

 

I risultati di Google e dell’Università di Hafei hanno ottenuto un’eco notevole nella stampa, ma rappresentano solo uno stadio di sviluppo parziale, anche se accattivante, nella corsa ad una nuova piattaforma per le tecnologie dell’informazione. Una corsa che dura da più di mezzo secolo e che abbraccia al momento anche telecomunicazioni, sensoristica e simulatori atomici, promettendo di sconquassare dalle fondamenta le certezze “digitali” acquisite fino ad oggi.

 

Innanzitutto, cos’ha a che fare con computer e telecomunicazioni una teoria fisica come la meccanica quantistica, per di più spesso dipinta come contro intuitiva e misteriosa? La risposta è che l’intreccio tra fisica e informazione è naturale: qualunque tipo di informazione esistente è elaborata, trasmessa e conservata fisicamente, dagli impulsi elettrici del nostro cervello, alle onde meccaniche dei suoni che emettiamo quando parliamo, alla luce nelle fibre ottiche che trasmette i risultati delle nostre ricerche su internet, fino ai piccolissimi magneti degli hard disk. Rolf Landauer riassunse ciò con la celebre frase: «L’informazione è fisica».

 

Le leggi della meccanica quantistica ed i sistemi fisici che la seguono non fanno eccezione: così come le leggi della fisica “classica” (cioè non quantistica) imbrigliano l’informazione “classica”, determinandone lo spettro d’utilizzo e i limiti, applicare invece un’altra teoria e nuovi sistemi fisici all’informazione significa cambiare paradigma e affacciarci verso risultati e soluzioni che precedentemente non erano possibili.

La potenza della meccanica quantistica è dovuta al fatto di essere il sistema di leggi più corretto che conosciamo per descrivere la natura e, allo stesso tempo, al modo unico in cui le particelle elementari condividono tra loro le informazioni che possiedono[1].

Rappresentazione artistica di un circuito fotonico quantistico integrato

I computer quantistici non sono però destinati a sostituire del tutto i computer classici: come spesso accade, macchine intrinsecamente diverse affrontano al meglio problemi differenti. Nella simulazione di sistemi quantistici complessi come nuovi materiali o medicine, nella fattorizzazione dei numeri interi (che sta alla base dei protocolli di sicurezza informatica) e, forse, persino nell’applicazione dell’intelligenza artificiale ad un livello superiore rispetto ad ora, i computer classici non possono competere. In moltissimi altri ambiti (un esempio banale sono le operazioni matematiche elementari che facciamo con le calcolatrici), i computer quantistici o sono peggiori, oppure non portano nessun vantaggio.

 

Le applicazioni della meccanica quantistica, però, non si limitano ai computer e ai simulatori: telecomunicazioni e sensoristica sono altri campi di utilizzo in cui la ricerca si sta muovendo con successo forse persino maggiore che nel caso dei computer. Ad esempio, il programma nazionale di ricerca cinese ha già stabilito numerosi record di comunicazioni quantistiche crittografate, cioè di comunicazioni intrinsecamente non intercettabili, sia a terra che dallo spazio.

 

Nonostante i notevoli progressi, lo scetticismo di Schrödinger non era ingenuo: i sistemi fisici in cui emergono le leggi della meccanica quantistica sono estremamente fragili e controllarli a dovere è tanto più difficile quanto più grande e complesso è il sistema. Attualmente, una delle sfide principali è lo sviluppo di piattaforme tecnologiche che consentano la costruzione di sistemi quantistici su una scala abbastanza grande da permetterci di risolvere problemi “reali”, e non solo le dimostrazioni concettuali fatte finora.

 

Dato l’enorme interesse in campo medico, tecnologico, finanziario e militare, e i costi molto alti di ricerca, la scienza e la tecnologia quantistica (per mezzo secolo limitate quasi esclusivamente alla fisica e alla teoria dell’informazione in ambito accademico) hanno visto nell’ultimo decennio l’ingresso sempre più massiccio di finanziamenti privati insieme ad un progressivo incremento dei finanziamenti pubblici, in una vera e propria corsa per la supremazia tecnologica del domani.

 

Da quanto rivelato finora, Paesi come Stati Uniti e Cina stanno investendo miliardi di dollari nell’ambito di progetti nazionali pluriannuali.  Aziende come Google, Microsoft e IBM hanno programmi dedicati e collaborazioni con università e centri di ricerca, in cui hanno investito decine se non centinaia di milioni ciascuna, e già si nota un fiorire di startup. L’UE, che manca invece di aziende tecnologiche sufficientemente grandi o ambiziose, ha da poco avviato un programma continentale: la Quantum Technology Flagship, finanziata con circa 1 miliardo di euro in 10 anni, una cifra superficialmente significativa fino a che non la si divide tra i 27 Paesi membri, e non la si paragona con gli investimenti pluriannuali dei singoli programmi nazionali di Paesi come Regno Unito (1 miliardo di sterline), Francia (60 milioni di euro all’anno destinati a salire con un target cumulativo superiore al miliardo) e Germania (650 milioni di euro), o con una sola delle nuove startup, PsiQuantum, che ha recentemente raccolto finanziamenti per 230 milioni di dollari. L’Italia, invece, non ha avviato finora alcun programma nazionale dedicato, con una non-scelta che, se non tempestivamente e adeguatamente invertita, rischia di relegarla al fondo dell’innovazione tecnologica anche in questo campo cruciale.

 

Con tutto l’entusiasmo del momento, va detto però che le tecnologie quantistiche non sono ancora cosa fatta e finita e sono ben lontane dallo stadio di maturità necessario per costruire la nuova industria dell’informazione secondo tempi e risultati certi. Esistono interrogativi chiave riguardo i limiti di scalabilità e di prestazioni delle piattaforme materiali attualmente utilizzate, i tempi di sviluppo e persino fino a dove si possano spingere i campi di utilizzo. Come confessato da un chimico in una conversazione: «Se mi dessero un computer quantistico oggi, onestamente non saprei cosa farci».

 

È molto probabile che le tecnologie quantistiche seguano una traiettoria simile allo sviluppo dell’informatica classica. Ci sono voluti 30 anni per passare dai primi calcolatori che occupavano intere stanze al personal computer, e quasi altrettanti per arrivare a computer tascabili come gli smartphone. La miniaturizzazione dei dispositivi, l’aumento delle potenze di calcolo, i progressi della teoria dell’informazione e della rete internet sono state accompagnate da una diffusione sempre più varia e capillare del mondo digitale nella vita comune, ben al di là di quanto i migliori autori di fantascienza immaginassero nel secondo dopoguerra e lungi dall’essere conclusa. Con le dovute distinzioni, è probabile che oggi ci troviamo all’inizio di una traiettoria per certi versi simile: le tecnologie quantistiche appariranno dapprima in applicazioni di nicchia, per poi diffondersi progressivamente in ambiti sempre meno selezionati e quasi certamente affermarsi in usi sorprendenti (o nati con le nuove tecnologie stesse). Come solitamente accade con delle innovazioni radicali, infatti, nasceranno applicazioni completamente nuove e rese possibili unicamente dalla nuova piattaforma tecnologica.

 

Per quanto sia impossibile conoscerne in anticipo le conclusioni, si tratta di una delle sfide tecnologiche potenzialmente più entusiasmanti e dirompenti del prossimo secolo, e comporterà quasi certamente nuovi equilibri politici, economici, filosofici e sociali. Sta all’Italia decidere se continuare a osservare passiva ed impaurita un mondo che evolve, o se invece coglierne le sfide grandiose, mettersi in gioco ed essere protagonista del mondo che faremo.

 

 

 

[1] Le unità di informazione quantistica, dette qubit (che può essere il “verso” dello spin di un elettrone, o la polarizzazione di una particella di luce) sono intrinsecamente legate tra di loro, al punto che il sistema costituito dall’insieme dei qubit non è descrivibile come una somma di unità individuali. Alterare un’unità equivale ad alterare istantaneamente tutte le singole unità che compongono il sistema, e ciò avviene indipendentemente dalla distanza reciproca, potrebbero essere anche milioni di chilometri! Inoltre, lo stato fisico del sistema non è definito deterministicamente, ma esiste solo come spazio di probabilità di molteplici possibilità: fuor di linguaggio esoterico, significa che due qubit non sono obbligati ad assumere una combinazione specifica di valori, ma possono occupare tutte le combinazioni allo stesso tempo. Se supponiamo che ciascun qubit possa assumere lo stato 0 o 1, un sistema di due qubit puo’ assumere le seguenti combinazioni: 00, 01, 10 o 11. Un sistema classico si troverebbe in una sola di queste combinazioni ad ogni dato istante, mentre un sistema quantistico non è obbligato ad assumere una combinazione specifica, ma puo’ occupare tutte le combinazioni allo stesso tempo, fino a che una perturbazione esterna lo faccia “collassare” in una delle combinazioni secondo una certa probabilità.

Questo determina la possibilità di occupare uno “spazio di informazione” che cresce in modo esponenziale rispetto ad un sistema classico (a seconda del numero di qubit a disposizione), riuscendo così a risolvere problemi computazionali di una tale complessità e dimensione che richiederebbero ai computer classici tempi pari al tempo di vita dell’universo.