Vantaggio quantistico, cos’è e quanto siamo vicini a raggiungerlo

Un giorno non troppo lontano l’informatica quantistica potrebbe rivoluzionare la nostra vita, in maniera simile a quanto sta avvenendo oggi con l’intelligenza artificiale generativa. Questa prospettiva è stata avanzata da Daniel Lidar, professore della University of Southern California e direttore del Centro per la scienza e la tecnologia dell’informazione quantistica dello stesso ateneo. Lidar ha recentemente scritto un articolo divulgativo su questo argomento, pubblicato su The Conversation. Secondo il ricercatore, coinvolto da molti anni nell’elaborazione delle informazioni quantistiche e nel controllo dei sistemi quantistici, le tecnologie informatiche di questo ambito – che sfruttano le complesse e controintuitive proprietà della meccanica quantistica – si trovano in un momento fondamentale. Mentre la ricerca accademica continua ad approfondire i fondamenti di questa disciplina, l’industria tecnologica si impegna a implementare, nel breve termine, queste scoperte in prodotti e servizi.

Lidar prevede che tutti questi sforzi culmineranno nel cosiddetto vantaggio quantistico, quando un computer quantistico sarà in grado di risolvere problemi che sono al di là delle capacità dei computer classici. Effettivamente, questo settore ha già mostrato i primi segnali di averlo ottenuto, seppur in casi specifici. Tuttavia, il vero punto di svolta si verificherà quando verrà raggiunto ciò che alcuni esperti del settore definiscono “vantaggio quantistico pratico“, il punto in cui i dispositivi quantistici risolveranno problemi di interesse pratico irrisolvibili anche per i supercomputer. Questo potrebbe portare a sviluppi di enorme portata, con applicazioni che spaziano dalla scienza dei materiali alla logistica, dalla crittografia e sicurezza delle informazioni, all’intelligenza artificiale.

Cosa è l’informatica quantistica e come funziona

Prima di tutto, un breve ripasso. Come riporta una pagina divulgativa dell’Illinois quantum information science and technology center, alla base di tutta la tecnologia informatica quantistica c’è un modo fondamentalmente diverso di archiviare e manipolare le informazioni. Mentre i computer e gli smartphone moderni utilizzano i bit, i dispositivi quantistici si basano su bit quantistici, detti anche qubit. I qubit sono generalmente particelle subatomiche (come fotoni ed elettroni) che, grazie alle peculiarità della meccanica quantistica, possono rappresentare il valore 0, 1 o addirittura una combinazione simultanea di entrambi, in uno stato che viene chiamato sovrapposizione. In particolare, se i bit dei computer tradizionali possono esistere in un unico stato specifico e rappresentare alternativamente i valori 0 oppure 1, un qubit può assumere il valore 0, 1 o qualsiasi combinazione dei due. Ma c’è di più: come sottolinea Lidar, la potenza dell’informatica quantistica è rappresentata da un intricato equilibrio in cui entrano in gioco sovrapposizione, interferenza ed entanglement.

L’interferenza, continua il ricercatore, è quel processo in cui i qubit vengono manipolati in modo da far sì che i loro stati si combinino in due modi specifici durante i calcoli per la risoluzione di un problema, in modo da ottimizzare e amplificare le risposte corrette e viceversa sopprimere quelle errate. In particolare, quando questa combinazione avviene in modo cosiddetto “costruttivo”, le informazioni si sommano e si amplificano (un po’ come accade se le creste delle onde oceaniche si uniscono per formare un’onda più grande); al contrario, quando avviene in modo “distruttivo”, le informazioni si annullano a vicenda. Gli algoritmi quantistici, quindi, per fornire la risposta corretta a un problema, sono in grado di creare una sequenza di schemi di interferenza. L’entanglement, invece, si riferisce alla stretta connessione tra due o più particelle quantistiche, tale che qualsiasi modifica o misurazione applicata su una di esse influisce istantaneamente sull’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. L’entanglement, applicato a un computer quantistico, consente accelerazioni computazionali che vanno ben oltre la portata dei computer classici.

Verso il vantaggio quantistico pratico

Le caratteristiche specifiche di un computer quantistico si traducono in una potenza di calcolo molto superiore rispetto a quella dei computer tradizionali. Questa capacità computazionale offrirebbe opportunità senza precedenti per il calcolo, l’informatica e la tecnologia. Secondo un articolo pubblicato su The Conversation a firma di Jie Wang, docente di computer science dell’Università del Massachusetts, nonostante i progressi compiuti nell’ambito dell’informatica tradizionale, esistono problemi irrisolvibili per i computer convenzionali, mentre alcuni di questi, pur teoricamente risolvibili, vanno oltre le capacità fisiche dei computer attuali, indipendentemente dalla loro potenza computazionale. Gli esperti suggeriscono che l’informatica quantistica potrebbe rappresentare la chiave per risolvere questi problemi, raggiungendo ciò che è noto come “vantaggio quantistico”. In questa disciplina, il vantaggio quantistico ha l’obiettivo di dimostrare che un computer quantistico può risolvere un problema che nessun computer classico può gestire in un tempo ragionevole.