I supercomputers del prossimo futuro

A breve avremo modelli fantascientifici, di tipo quantistico, potenti e velocissimi

di William Giroldini. Le più grandi nazioni stanno studiando nuovi prototipi con nuove tecnologie differenti.

C’è una grande competizione in corso fra le principali potenze mondiali per realizzare per primi un oggetto fantascientifico: un supercomputer di tipo quantistico. Tutti conosciamo ormai da anni il  ‘normale’ computer che usiamo ogni giorno, quasi tutti noi.

Ma che cosa ha di speciale un computer quantistico?

Il ricercatore scientifico William Giroldini.

Bisogna subito dire che un supercomputer quantistico è assolutamente sprecato per fare le cose che comunemente noi ‘persone normali’  facciamo: cioè scrivere qualcosa con Word, navigare in Internet, giocare coi videogiochi, disegnare immagini, vedere o ritoccare foto, archiviare files, dati, immagini, foto…
E allora a che serve un computer quantistico, e perchè c’è una così forte competizione per realizzarlo?

Facciamo un esempio strano, preso dalla matematica: i numeri primi sono numeri che si possono dividere solo con 1 e con se stessi: per esempio sono primi  2, 5, 7, 19 etc.
Ma se prendiamo un numero qualsiasi, per esempio con mille cifre oppure un milione di cifre, il tempo necessario per stabilire se è primo (oppure no) può diventare spaventosamente grande, quanto più il numero è grande. Per esempio, dato un certo numero assai grande, un normale PC dovrebbe lavorare senza interruzione per centomila anni prima di dare la risposta.

Un supercomputer quantistico darebbe la risposta in meno di un secondo: questa differenza è sostanziale. Certo a noi non importa nulla se un numerone è primo. Fino a quando qualcuno vi informa che la sicurezza delle chiavi di accesso del vostro conto bancario online dipendono dal fatto che un normale PC impiegherebbe troppo tempo a “cercare” di decrittare la chiave di accesso. Ma un computer quantistico lo farebbe subito….

La scoperta dell’algoritmo di Shor

Per Shor, informatico teorico USA.

Tutto ciò è stato scoperto nel 1994 da Peter Shor, che ha pubblicato l’algoritmo che porta il suo nome per il calcolo dei numeri primi di numeri interi (tecnicamente si chiama fattorizzazione) in un tempo molto inferiore a quello classico. Questo algoritmo è stato una svolta epocale nella materia, perché un importante metodo di crittografia  – noto come RSA – si basa sulla supposizione che la fattorizzazione degli interi sia difficile dal punto di vista computazionale. L’esistenza dell’algoritmo di Shor può dimostrare che uno dei metodi crittografici più usati al mondo sarebbe vulnerabile a un computer quantistico.

Ora, potreste pensare di mettere i risparmi sotto una mattonella anzichè in banca?
Tranquilli, nel frattempo i matematici avranno trovato il modo di ingannare anche i computer quantistici. Ma essi diventeranno strumenti potentissimi per applicazioni davvero importanti come la previsione metereologica, la fisica in generale, l’astronomia e tutte le altre scienze (biologia e medicina incluse) che già oggi richiedono supercomputers per realizzare simulazioni e studi sempre più precisi del nostro Universo e per applicazioni medico-scientifiche.
Come la TAC e la RNM che usiamo ormai di routine. E in un lontano futuro saranno la base di macchine (robot) basate sulla I.A. (intelligenza artificiale) a livelli che oggi possiamo solo fantasticare.

Da cosa nasce la loro enorme potenza di calcolo

L’entanglement è la dinamica per cui un’azione fatta su una particella si ripercuote anche sull’altra particella della coppia, a qualsisi distanza essa sia ed in modo istantaneo.

Ebbene, nasce da una proprietà delle particelle elementari chiamata entanglement e prevista teoricamente in un famoso articolo di Einstein (e altri due autori) nel 1935. Poi solo verso il 1990 si è potuto dimostrare che l’entanglement fra particelle esiste realmente. E da allora sono stati fatti progressi straordinari per utilizzare l’entanglement per scopi pratici, fra cui creare un supercomputer.

Di per sè l’entanglement fra coppie di particelle è già un fenomeno quasi magico: consiste nel fatto che se si crea una coppia di particelle correlate (cioè in entanglement), una azione fatta su una particella si ripercuote anche sull’altra particella della coppia, a qualsisi distanza essa sia ed in modo istantaneo. Utilizzando questa proprietà straordinaria si possono creare i cosidetti ‘qubit’ che sono la versione quantistica dei normali bit presenti nei nostri PC attuali, che usano 32 oppure 64 bit.
Solo che  64 qubit hanno una potenza di calcolo enormemente superiore rispetto a 64 miseri bit.

I supercomputers del prossimo futuro
Un tipo di micropocessore (da Wikipedia).

Come risolvere il problema della decoerenza
Tuttavia i qubit sono anche straordinariamente delicati: basta un nonnulla per distruggere l’entanglement che li lega, una cosa assolutamente minima per causare la cosidetta ‘decoerenza’ dei qubit,  che rende impossibile il funzionamento dei qubit stessi.

Gran parte della ricerca attuale quindi punta a risolvere il problema della decoerenza, veramente molto difficile (ma non impossibile) da risolvere.  Ogni giorno appaiono ricerche e piccoli progressi per risolvere questo fondamentale problema.

Un bit classico ha solo due stati possibili: zero oppure 1, come le due facce di una moneta.
Invece un qubit ha migliaia di stati possibili, li potremmo pensare come punti di coordinate su una sfera. Quanti piccoli puntini possiamo disegnare su una sfera?  Tantissimi e tutti utilizzabili contemporaneamente. Ecco perchè un supercomputer quantistico può fare cose fantastiche quanto a potenza di calcolo.

Come dicevo, il principale problema che oggi affligge i fisici e gli ingegneri che progettano un computer quantistico, è la decoerenza, che causa a sua volta errori nei calcoli. Di fatto attualmente la maggior parte dei qubit usati nei prototipi attuali servono solo per correggere gli errori che via via si creano a causa della estrema sensibilità dei qubit al rumore termico.

Le macchine attuali sono enormi e voraci di energia: devono essere raffreddate a temperature vicino allo zero assoluto (per esempio con elio liquido, circa 4 gradi Kelvin, pari a – 269 gradi centigradi). Temperature così basse servono per ridurre al minimo la decoerenza fra i qubit.

Le nazioni di tutto il mondo stanno studiando nuovi prototipi

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Athlon 64, il primo processore della serie K8 per computer desktop e portatili (da Wikipedia).

È chiaro che siamo ancora molto lontano dall’avere un computer casalingo quantistico, solo di elettricità costerebbe una fortuna, per non parlare di tutto il resto.
Ma la posta in gioco è così grande che tutte le più grandi nazioni (tra cui la Cina, che però mantiene il riserbo sulle sue ricerche) stanno alacremente facendo prototipi di questo genere, con tecnologie del tutto differenti.
Persino noi italiani siamo nella grande corsa e nemmeno siamo tanto indietro.

I matematici sono al lavoro per studiare e trovare nuovi metodi (quindi nuovi algoritmi matematici) per correggere gli eventuali errori.
Una intera branca della matematica ha sviluppato efficenti codici di correzione automatica degli errori,  che nei computer normali sono pochi ed efficacemente corretti in tempo reale da “codici di correzione” presenti nei loro cuori di silicio (microprocessori).

Un po’ di storia recente dei computers quantistici

  • Nel 2012 l’azienda canadese D-Wave annuncia il primo computer quantistico commerciale. Si tratta di una macchina basata su solo 8 qubit a superconduttore. Il modello viene acquistato a fini di ricerca dalla NASA, Google e da Lockheed Martin.
  • Nel 2019 esistono computer quantistici commerciali basati rispettivamente sui superconduttori e sugli ioni carichi intrappolati. L’ambito dei computer quantistici è un campo di ricerca aperto che include  differenti tecnologie, per esempio atomi neutri e fotoni.
  • A febbraio 2019 IBM ha commercializzato il primo computer quantistico, denominato IBM Q System One, utilizzabile da remoto.
  • A gennaio 2020, IBM annuncia il Quantum Volume, basato su un processore quantistico a 28 qubit, confermando il trend di raddoppio annuale della potenza dei suoi computer quantistici.

Borealis,  il computer quantistico più interessante

I supercomputers del prossimo futuro
Il computer quantistico Borealis (Credit: flickr.com/IBM).

Ma ora, nel 2022, abbiamo il computer quantistico che risolve in 36 microsecondi un problema da  9 mila anni se affrontato con un PC tradizionale.

Pubblicato sulla rivista Nature, è il primo risultato del genere ottenuto con il processore fotonico programmabile Borealis della società canadese Xanadu, grazie a una tecnica particolarmente innovativa che semplifica lo sviluppo di questi potentissimi strumenti.

La nuova macchina realizzata dai ricercatori di Xanadu rientra tra i computer quantistici che sfruttano al loro interno i fotoni nel ruolo di Qubit, ossia le unità di calcolo dei computer.

I supercomputers del prossimo futuro
Christian Weedbrook, fondatore della società di tecnologie quantistiche Xanadu,

È una macchina più semplice rispetto a quella usata due anni fa da Google, che per prima segnò un sorpasso nei confronti dei computer tradizionali, e che si basa invece sui superconduttori e che per funzionare deve essere raffreddata a temperature vicine allo zero assoluto (circa meno 270 gradi).

Cuore del successo del processore Borealis sviluppato da Xanadu è un nuovo metodo per coordinare l’ingresso dei fotoni all’interno del processore. La macchina funziona a temperatura ambiente,  un vantaggio enorme rispetto ai concorrenti.

E siamo solo all’inizio.
Fra 15 anni avremo robots a intelligenza artificiale più intelligenti di un umano medio e già sto risparmiando per comprarmene uno (anzi: una) come robobadante. Parlerà perfettamente 20 lingue e lavorerà senza storie di sindacati per 24 ore al giorno.

Foto di copertina di Pete Linforth da Pixabay.

Per saperne di più:
Per conoscere il Microprocessore
Sull’evoluzione dei computer: vedi il progetto Xanadu
Articolo di Giorgio Cozzi sull’entanglement: Le nuove implicazoni dell’entanglement
Articolo di Sergio Ragaini: La meccanica quantistica entra nell’informatica

Laureato in Chimica, sviluppatore software ed elettronica, da almeno 30 anni si interessa di Ricerca Psichica con particolare attenzione allo studio della Telepatia e Psicocinesi utilizzando tecniche Elettro-Encefalografiche. Autore di numerose ricerche pubblicate anche su riviste scientifiche internazionali. Direttore Scientifico di AISM (Ass. Italiana Scientifica di Metapsichica).