Quantum Computing: per l’Europa è tra le priorità per il 2030
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Redazione IDCERT
- 20 Maggio 2022
Il Quantum Computing è un tipo di computazione che sfrutta le proprietà degli stati quantici, come la superposizione, l’interferenza, e l’entanglement, per effettuare dei calcoli. I dispositivi capaci di eseguirli sono conosciuti come computer quantici. In questo articolo illustreremo brevemente la storia della computazione quantistica, quali sono le applicazioni pratiche attuali e teoriche, e come l’Unione Europea sta investendo nel settore per diventare un grande polo di ricerca e sviluppo sull’argomento.
Il quantum computing spiegato in modo semplice
I computer classici sfruttano le proprietà dei transistor per effettuare calcoli. I transistor sono dispositivi capaci di lavorare su informazioni binarie, gli ormai celebri bit che possono essere uguali ai valori 0 e 1, vero e falso.
I computer quantici, invece, sfruttano le proprietà quantistiche di particolari circuiti (detti appunto circuiti quantici) di processare informazioni sensibilmente maggiori di quelle dei normali transistor.
Non volendo di certo avere la presunzione di riuscire a semplificare efficacemente un argomento così complesso, proveremo comunque a sintetizzare cosa rende il qubit (il quanto di informazione del quantum computing, allo stesso modo di ciò che il bit è per la computazione classica) così speciale. Sulla carta, il qubit, come il bit, può restituire due informazioni quando viene letto: 0 e 1. Tuttavia, grazie alla capacità dei quanti di assumere un numero infinito di stati prima della misurazione, e alla possibilità che essi si influenzino vicendevolmente (il cosiddetto entanglement quantistico) creando ciò che viene definita “unità di coppia”, il circuito quantico è in grado di eseguire algoritmi notevolmente più complessi impiegando meno energia e meno spazio fisico rispetto a un “normale” supercomputer.
Le straordinarie proprietà del processore quantico
Il processore quantico è un dispositivo relativamente piccolo, simile agli attuali processori classici disponibili in commercio. Tuttavia, la necessità di mantenerlo a una temperatura prossima al centesimo di grado Kelvin (meno di -273 °C, prossimo allo zero assoluto) per sfruttare le proprietà dei superconduttori (conduttori che a tali temperature azzerano qualsiasi resistenza), avvicina le dimensioni degli attuali computer quantici a quelli di un’automobile. Una dimensione comunque competitiva rispetto ai supercomputer attualmente funzionanti. Per intenderci, il supercomputer Leonardo che si trova in Italia occupa una superficie totale di 1500 m2.
Approfondire ulteriormente tutte le proprietà e le caratteristiche fisiche di un computer quantico necessiterebbe di una preparazione accademica di notevole qualità. Perciò ci asteniamo dall’addentrarci in questo aspetto e riassumiamo così: un computer quantico esegue programmi e algoritmi incredibilmente complessi in meno tempo, con meno risorse (energetiche e di materiali) e occupando meno spazio di un attuale supercomputer. Alla luce di ciò risulta chiaro come investire in questo settore sia di importanza strategica per tutte le superpotenze, Unione Europea inclusa.
La tecnologia informatica quantistica dalle origini ai giorni nostri
La storia del Quantum Computing è chiaramente recente. Stiamo parlando di una tecnologia nuovissima che mette in pratica tutte le ricerche più avanzate della fisica quantistica, tant’è che solo negli anni ’70 era considerata fantascienza.
Dalla fantascienza alla realtà
L’introduzione dell’idea di computer quantistico si deve all’intuizione del fisico Paul Benioff nel 1980, che in una pubblicazione descrisse la sua idea di un modello basato sulla meccanica quantistica della Macchina di Turing. In seguito, collaborò con il celebre fisico Richard Feynman, il quale nel 1986 pubblicò un primo schema di circuito quantico. Durante tutti gli anni ’90 furono compiuti molti progressi teorici nel campo della computazione quantistica, che includevano la compilazione di algoritmi e la costruzione del primo computer quantico a due qubit (nel 1998). Nonostante questi avanzamenti, la mancanza di tecnologie avanzate nel raffreddamento dei superconduttori e l’insormontabilità di alcune altre sfide in termini di fattibilità dei progetti teorizzati lasciò il quantum computing nel campo delle scienze teoriche in attesa che si facessero i progressi necessari per superare questi ostacoli.
Negli ultimi vent’anni i ricercatori e le grandi multinazionali del settore ICT hanno compiuto passi da gigante, attirando ingenti capitali e risorse umane fresche di dottorato per sviluppare i computer quantici e dare una rinnovata speranza in questa ricerca.
L’incredibile stato attuale della computazione quantistica
Tutte le principali superpotenze mondiali sono attive nella ricerca della computazione quantica, in particolare Stati Uniti, Europa e Cina. Oggi i principali attori privati di questa corsa allo sfruttamento dei quanti sono Google e IBM. Degni di nota sono il più recente computer quantico commerciale costruito da IBM nel 2019, IBM Q System One, e un articolo scientifico pubblicato dai ricercatori di Google che ha fatto parlare molto di sé e che è tuttora oggetto di studio, nel quale si affermava di aver raggiunto la cosiddetta supremazia quantistica, ossia la tanto agognata capacità di un computer quantico di eseguire un programma che nessun calcolatore classico è in grado di risolvere.
Nel 2021 IBM ha svelato il più grande computer quantico attualmente esistente, il 127-qubit Eagle, che, come si intuisce, è dotato di 127 qubit. La multinazionale statunitense ha dichiarato inoltre di poter essere in grado di superare la barriera fino a pochi anni fa inimmaginabile di 1000 qubit in un singolo processore entro il 2023, stabilendo di fatto un’assoluta supremazia tecnologica nel campo.
Cosa sta facendo l’Unione Europea per favorire lo sviluppo delle quantum technologies?
L’Unione Europea ha inserito lo sviluppo delle tecnologie di quantum computing tra gli obiettivi strategici del Decennio Digitale Europeo.
Da giugno 2019, tutti i 27 Stati dell’Unione hanno firmato la Dichiarazione Europea sull’Infrastruttura per la Comunicazione Quantistica, abbreviata EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure).
L’obiettivo comune è costruire una rete di comunicazione condivisa tra tutti i computer quantistici presenti sul territorio Europeo per garantire un incredibile sviluppo della competitività tecnologica a livello mondiale e soprattutto una sicurezza informatica senza precedenti. L’anno di riferimento è il 2027. L’EuroQCI è il fulcro della più recente strategia di cybersicurezza europea, e rinforzerà la protezione di istituzioni governative, data center, ospedali, reti elettriche, e altri enti strategici. Approfondire l’argomento e farsi trovare preparati per affrontare queste sfide rappresenta un’ottima opportunità per i giovani europei che vogliono specializzarsi in settori innovativi.
Quali sono le principali applicazioni delle quantum technologies?
La computazione quantistica è impiegabile in diversi settori che richiedono potenze di calcolo elevate, irraggiungibili dai classici supercomputer. Vediamo brevemente alcuni di essi per trarre successivamente delle considerazioni utili a riguardo.
Crittografia
Grazie alla sua capacità di elaborare algoritmi che richiedono un notevole numero di processori classici per essere risolti, un computer quantistico è capace di attaccare gli attuali sistemi di sicurezza crittografica in un tempo considerevolmente minore rispetto a quello tipico di un supercomputer.
In tal senso il quantum computing viene impiegato per testare i suddetti sistemi al fine di distinguere quelli che possono reggere un attacco quantistico da quelli che invece cederebbero, e infine di sostituire questi ultimi con altri più efficaci.
Problemi di ricerca in database non indicizzati
Una delle maggiori difficoltà dei normali computer risulta essere la ricerca di un oggetto in un database di grandi dimensioni, in quanto le risorse informatiche necessarie per completare queste attività rappresentano un collo di bottiglia più o meno stretto.
Ad oggi l’indicizzazione, ossia un documento che riporta gli indirizzi fisici in cui si trovano i file di un determinato database, semplificando di molto la ricerca sui normali computer, è l’unico strumento più efficace per ovviare al problema. Ma di fronte alla crescita esponenziale dei dati prodotti annualmente in tutto il mondo, l’innovazione tecnologica dei supporti tradizionali non riesce a stare al passo e l’indicizzazione diventa anch’essa sempre più complicata. I computer quantici abbattono notevolmente i tempi di ricerca offrendo una soluzione vantaggiosa al problema.
Machine Learning
Il quantum computing ha messo in luce nuove esaltanti possibilità di implementazione del machine learning nello sviluppo delle intelligenze artificiali. Il machine learning è considerato uno dei pilastri delle IA in quanto il suo obiettivo è sviluppare algoritmi che consentano alle macchine di elaborare i dati e acquisire la capacità di prendere decisioni senza che esse vengano esplicitamente programmate per fare quelle determinate attività. In questo senso la potenza di calcolo di un computer quantistico si è rivelata una risorsa teoricamente molto potente per accelerare drammaticamente lo sviluppo delle intelligenze artificiali. Perciò è in corso un incredibile processo di ricerca scientifica sull’argomento al fine di compilare i programmi adatti a trasferire verso la computazione quantistica tutte le conoscenze sviluppate attualmente sui supercomputer classici.
Altri campi di sviluppo
La computazione quantistica si applica a tanti altri campi laddove le tecnologie a transistor si sono rivelate inefficaci. In biologia e in chimica si è rivelato sempre più necessario simulare il comportamento a livello atomico di molecole complesse come proteine, farmaci e nanomacchine, creando ambienti virtuali che i supercomputer semplicemente non sono in grado di elaborare. Al contempo, non c’è niente di meglio del calcolo quantistico per eseguire delle simulazioni di sistemi quantici necessari per lo sviluppo delle nanotecnologie che fanno delle proprietà subatomiche il loro fulcro di funzionamento.
Quali sono i percorsi di studio per lavorare nel quantum computing?
Lavorare direttamente in progetti dedicati al quantum computing è una possibilità finora riservata alle eccellenze nelle scienze fisiche, matematiche, ingegneristiche e informatiche. Questo però non deve scoraggiare nessuno dal considerare di avvicinarsi a questo settore in maniera collaterale. La sempre maggiore diffusione ormai a livello commerciale dei computer quantistici sta lentamente avvicinando queste incredibili macchine alla portata di tutti.
Saper prevedere in quale direzione andrà lo sviluppo dei programmi che fanno uso della computazione quantistica e prepararsi a un futuro in cui le competenze correlate siano molto richieste è un’ottima scommessa per il futuro. A maggior ragione considerando che già ora l’Unione Europea sta attivamente ispirando molti cittadini a formarsi e a certificare le proprie competenze in campo digitale.
A tal proposito non possiamo non segnalarvi due corsi che, in base alla nostra interpretazione delle attuali normative e dei programmi futuri di sviluppo digitale dell’UE, potranno dare un vantaggio competitivo in questo e in altri campi a coloro che dovessero frequentarli.
Le Certificazioni Informatiche IDCERT per prepararsi alla rivoluzione quantistica
Tra i corsi che potrebbero tornarti utili c’è sicuramente IDCERT IT Security | Livello Specialised. Acquisire competenze nell’ambito della sicurezza informatica è un obiettivo comune a tutti coloro che svolgono lavori al computer quotidianamente. Per chi volesse avvicinarsi alle tecnologie della computazione quantistica, inoltre, tali skill risultano addirittura fondamentali, in quanto la conoscenza avanzata della protezione dei sistemi informatici sarà al centro di numerose applicazioni del quantum computing.
Un altro corso certificato a cui prestare attenzione è IDCERT Intelligenza Artificiale | Livello Advanced. Il mercato delle IA è in costante crescita e richiederà migliaia di posti di lavoro altamente specializzati entro la fine del decennio. Il ruolo fondamentale del quantum computing nei processi di machine learning renderà le competenze di questo corso molto utili per coloro che si vogliano approcciare a questa nuova tecnologia informatica.
Concludendo
La tecnologia quantistica è una delle sfide scientifiche più elettrizzanti del nuovo millennio. Assisteremo a un cambiamento del paradigma informatico come non lo si è visto fin dagli anni ’70 con la diffusione commerciale dei primi personal computer. A breve la capacità di eseguire programmi incredibilmente complessi in tempi considerevolmente brevi sarà alla portata di un numero sempre maggiore di persone. Chi sarà così lungimirante da anticipare questo cambiamento epocale portandosi avanti con l’acquisizione di competenze collaterali al quantum computing potrà sfruttare una potente leva per migliorare la propria carriera lavorativa o per inventare nuove opportunità di business.
Cosa ne pensi del quantum computing? Ti ha incuriosito questa nuova tecnologia? Faccelo sapere nei commenti qui sotto.
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