Noi siamo in questo periodo storico di mezzo, tra un periodo in cui era solo scienza, cioè i computer quantistici non c'erano e quindi non si poteva provare, non li si poteva usare, si poteva solo scrivere, come ha fatto Shor, un algoritmo e poi sperare che un giorno qualcuno nel futuro l'avrebbe fatto girare, e invece l'arrivo del cosiddetto quantum advantage,

cioè quando effettivamente questi computer saranno abbastanza potenti da poterci fare ricerca.

Salve a tutti, siete all'ascolto di INSiDER - Dentro la Tecnologia, un podcast di Digital People e io sono il vostro host, Davide Fasoli.

Oggi parleremo con IBM di computer quantistici. Che cosa sono, come funzionano, quali sono i loro utilizzi oggi e quali saranno in futuro.

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Questa settimana il Parlamento Europeo si è pronunciato in merito allo stop della vendita di auto endotermiche a partire dal 2035, accogliendo con un favore di 339 voti su 672 la proposta voluta dalla Commissione Europea.

In realtà l'idea di interrompere la vendita delle auto a combustione a partire dal prossimo decennio fa parte di un pacchetto di misure più ampio, il cui obiettivo è quello di contrastare i cambiamenti climatici, responsabili dell'aumento della temperatura negli ultimi anni.

Tuttavia, benché la proposta sia passata con oltre la metà dei voti complessivi, il percorso per arrivare all'approvazione definitiva è ancora lungo.

Infatti solamente nei prossimi mesi inizieranno le vere trattative tra il Consiglio, la Commissione e il Parlamento Europeo per concretizzare la proposta iniziale.

In ogni caso, se l'ambiziosa misura venisse approvata, a partire dal 2035 in tutta l'Unione si potranno vendere solamente auto e furgoni con motori completamente elettrici o ad idrogeno, ad eccezione dei piccoli produttori, che, con l'emendamento salva Ferrari, potranno posticipare la data in scadenza al 2036.

Dopo dieci anni, il Parlamento europeo ha finalmente concordato un testo per il caricatore unico.

Finora, infatti, la Commissione europea ha lavorato affinché le aziende adottassero lo stesso standard per la ricarica, passando da 30 tipologie di cavi a tre nell'ultimo decennio.

La scelta era però su una base volontaria delle singole aziende, mentre con la nuova normativa che entrerà in vigore entro il 2024, i produttori dovranno seguire una standard per dispositivi come smartphone, tablet, videocamera e console.

Per i laptop, invece, le aziende dovranno adeguarsi entro il 2026.

Lo standard scelto dalla Commissione è la USB-C, già da oggi adottato dalla quasi totalità degli smartphone, in quanto garantisce le migliori prestazioni di trasferimento e di ricarica, ma la normativa prevede l'adeguamento ad altri standard futuri.

A beneficiarne, infine, saranno chiaramente i consumatori, che potranno utilizzare un solo cavo o un solo caricatore per tutti i dispositivi, e l'ambiente, in quanto i produttori potranno seguire la via di Apple e Samsung di non introdurre cavo e caricatore nella confezione, ottimizzando i trasporti e producendo meno rifiuti RAEE, che ad oggi ammontano a

circa 11.000 tonnellate ogni anno.

Dalla nascita dei primi elaboratori, l'esigenza di rendere queste macchine sempre più potenti non si è mai fermata e oggi i computer in tutte le loro forme, oltre ad essere sempre più presenti nella nostra quotidianità, vengono utilizzati per realizzare calcoli altamente complessi, come ad esempio creare delle simulazioni estremamente dettagliate.

Questi computer hanno però dei limiti e quindi per capire quando avverrà la prossima rivoluzione, quella dei computer quantistici, è con noi Federico Mattei, Quantum Ambassador per l'Italia di IBM.

Benvenuto Federico.

Ciao a tutti.

Per porre le basi di questa chiacchierata, ci spieghi cosa sono i computer quantistici e che cos'hanno di diverso rispetto ai computer tradizionali, quelli che siamo abituati ad utilizzare normalmente.

Certo. Dunque, fin dagli anni ‘80 era evidente che l'architettura su cui sono basati i computer che utilizziamo oggi aveva dei limiti. Ciò non vuol dire che non sia di grandissimo valore, tutt'oggi la utilizziamo per tantissimi scopi, però ci sono alcuni ambiti, alcune tipologie di calcolo per le quali i computer che utilizziamo oggi, appunto quelli tradizionali o classici che dir si voglia

hanno grandi difficoltà e è proprio per questo che si cerca di andare a cercare nuovi modelli computazionali che siano complementari a quello attuale.

Le differenze tra il computer classico e quello quantistico in realtà stanno proprio alla base, ai portatori di informazioni, come si dice. Noi sappiamo bene che i computer attuali funzionano principalmente con degli zeri e degli uni, informazione apportata tramite questi, diciamo, bit, che vengono chiamati bit, che possono assumere soltanto due stati, lo zero e l'uno.

Ecco, i computer quantistici che vanno a prendere le proprietà dalla meccanica quantistica trasformano i bit in bit quantistici che poi vengono contratti in qubit.

E questi qubit, esattamente come le particelle elementari che potrebbero assumere soltanto due stati, in alcuni casi per esempio per le proprietà di spin, per alcune proprietà intrinseche della materia, in realtà, grazie al principio di sovrapposizione, che è un principio quantistico che si vede soltanto

a dimensioni, appunto, atomiche, a dimensioni minuscole, queste particelle possono entrare, appunto, in uno stato di sovrapposizione, cioè possono essere in una combinazione lineare dei due stati classici.

Allo stesso modo, il computer quantistico, al posto del bit, ha questo qubit.

che può assumere uno stato che è una combinazione lineare dell'1 e dello 0, ovvero molta più informazione.

Inoltre utilizziamo anche la proprietà dell'entanglement delle particelle elementari e quindi della meccanica quantistica, che è una proprietà che crea una fortissima correlazione tra le particelle, e quindi noi la usiamo nei computer, nei qubit.

Ecco, queste due proprietà sono i due pilastri della computazione quantistica che ci permettono di affrontare tutta una serie di problemi che, ripeto, con i computer tradizionali abbiamo molta difficoltà ad affrontare.

E cosa significa avere più informazione? Cosa ci permette di fare?

Beh, dunque, l'informazione nel computer quantistico l'abbiamo principalmente durante l'esecuzione del calcolo, non prima, non dopo, perché poi intervengono altri fenomeni della meccanica quantistica che ci impediscono di conoscere esattamente lo stato di questi qubit in sovrapposizione.

Ma il fatto di avere la possibilità di riprodurre un'enorme quantità di stati durante l'esecuzione del calcolo ci permette di affrontare alcuni problemi per i quali dovremmo ripetere l'esecuzione classica per tantissime volte.

Principalmente gli ambiti sono: problemi di ottimizzazione, quindi in quel caso io parto da un presupposto abbastanza semplice ma devo andare a spaziare tra un numero di possibili stati, di possibili situazioni in cui lo stato si può trovare per poi andare a convergere sullo stato con minor distanza, maggior rendimento, minor rischio

a seconda del tipo di simulazione che sto facendo.

Poi ci sono tutte le simulazioni e sistemi naturali della struttura della materia, anche in quel caso devo andare a considerare tutte le possibili posizioni di, per esempio, un elettrone all'interno degli orbitali di una molecola.

E per finire, tutti i problemi di machine learning.

Quindi molti degli algoritmi legati alle redi neurali hanno questa necessità, cioè di spaziare tra un numero enorme di stati durante il calcolo per poi andare a convergere sul risultato che stiamo cercando.

Ok, quindi questi sono i vantaggi dei computer quantistici. Ci sono però anche degli svantaggi, delle controindicazioni a sviluppare questa tipologia di computer?

Ma dunque...

I computer sono degli strumenti e come tali hanno, diciamo, i loro utilizzi positivi e i loro utilizzi, ovviamente, che possono mettere in crisi, creare, diciamo, dei problemi ad alcune delle applicazioni che noi utilizziamo oggi.

Sicuramente è molto noto il fatto che il computer quantistico potrà mettere a rischio alcuni algoritmi di crittografia che noi utilizziamo oggi, in particolare quelli a chiave asimmetrica, quindi quelli basati, per esempio, sulla fattorizzazione.

Noi sappiamo bene che i computer tradizionali, quelli che abbiamo di fronte, sono bravissimi a fare la moltiplicazione, riescono a farla anche con numeri che hanno un numero di cifre enorme, hanno dei grossissimi problemi a fare la scomposizione in fattori, quindi la scomposizione in numeri primi, noi diremo alle elementari, e al crescere

del numero di cifre il tempo che un computer tradizionale impiega a fare la fattorizzazione cresce in maniera esponenziale.

E questa cosa noi l'abbiamo sfruttata, l'abbiamo sfruttata appunto per la crittografia.

Ecco, noi già sappiamo che per i computer quantistici esiste un algoritmo, l'algoritmo di Peter Shor pubblicato nel ‘94, che permette di effettuare la scomposizione in numeri primi con un computer quantistico permette di farlo in tempi estremamente ridotti.

Abbiamo però, diciamo, molto tempo di fronte a noi, perché per far girare l'algoritmo di Shor c'è bisogno di computer quantitativi estremamente potenti, probabilmente ne avremo di così potenti tra 5-10 anni, se andiamo avanti così, e abbiamo tutto il tempo, in realtà già lo stiamo facendo, per esplorare nuovi modelli di crittografia che vengono chiamati post-quantum cryptography,

quindi crittografia che è in grado di resistere agli attacchi quantitativi.

Quindi questi algoritmi sarebbero pericolosi per la crittografia che utilizziamo oggi, ma in futuro esisteranno delle alternative crittografiche in grado di risolvere questa criticità.

In realtà già ci sono algoritmi di questo tipo, gli algoritmi crittografici devono essere certificati e c'è un processo abbastanza lungo di certificazione di questi algoritmi, vari di questi algoritmi di post-quantum crittografi sono sotto processo di certificazione e probabilmente nei prossimi anni potremo utilizzarli.

Ok, passando a qualcosa che vi riguarda più direttamente come IBM, a fine 2021 avete annunciato di aver realizzato un processore che ha superato la soglia dei 100 qubit e nonostante la premessa che abbiamo fatto, quindi che i computer quantistici oggi non sono molto potenti, questo processore che avete realizzato quanto potente è? E perché avete annunciato il superamento di

questa soglia? Perché è così difficile aumentare il numero di questi qubit?

Bene, dunque, superare i 100 qubit è una soglia importante, comincia a essere un tipo di processore che non riusciamo a simulare utilizzando un computer classico e quindi ci stiamo addentrando in un ambito della computazione, possiamo dire, inesplorato in qualche modo.

È anche vero che 100 qubit sono ancora pochi, considerato il fatto che non è soltanto il numero di qubit, ma è anche la capacità di ridurre gli errori all'interno di questi qubit, la meccanica quantistica è estremamente instabile, quindi bisogna essere in grado di gestirla.

Questo annuncio di fine dell'anno scorso di 127 qubit si inserisce in una roadmap molto chiara che abbiamo rilasciato, che ci porta nel 2023 a superare i 1000 qubit, che sono un altro traguardo molto importante e dal quale ci aspettiamo che in alcuni ambiti potremmo cominciare ad avere un reale vantaggio

ad utilizzare computer quantistici per la ricerca e anche in ambiti produttivi, quindi nell'industria.

È così difficile, la domanda che mi facevi, è così difficile mettere insieme questi qubit proprio per motivi dell'instabilità della computazione quantistica.

Io in realtà potrei già da oggi fare processori con migliaia di qubit, forse anche milioni.

La verità è che parallelamente al numero di qubit bisogna garantire il tempo di coerenza, cioè il tempo per il quale il processore veramente si trova in un regime quantistico.

E basta una piccola fluttuazione di temperatura, basta una piccola radiazione che viene dall'esterno per far deperire questo regime quantistico.

Quindi bisogna porre molta attenzione anche a tutti questi parametri che sono intorno.

Inoltre i qubit possiamo dire che sono molto socievoli, perché abbiamo parlato dell'entanglement all'inizio, questa loro capacità di mettersi in collegamento tra di loro.

Ecco, parliamo di cross-talk all'interno di un processore quando questi qubit si mettono a parlare, si mettono in entanglement tra di loro anche quando non lo vogliamo.

Ecco, questo lo fanno e sta proprio nell'ingegneria, nel modo in cui vengono costruiti questi processori, evitare tutti questi fenomeni di noise, di rumore all'interno del processore per garantire una potenza computazionale adeguata.

E' proprio per questo che non è così facile mettere i qubit sul processore.

Bisogna metterceli e parallelamente bisogna garantire che tutte le altre proprietà che a noi servono poi per fare computazione rimangano sotto controllo.

E quindi, oggi, i computer quantistici come i vostri, per cosa vengono utilizzati?

Oggi i computer quantistici sono utilizzati per imparare come si fa la computazione quantistica.

L'esempio che faccio di solito è il mondo dei trasporti all'inizio del Novecento quando i fratelli Wright avevano i primi velivoli.

Non era con quelli che ci si spostava, quando uno voleva viaggiare si prendeva il treno.

Eppure, chi già vedeva un mondo in cui le merci e le persone si spostavano sugli aerei, e quindi volando, cominciava a formare dei piloti, cominciava a pensare a un concetto di aeroporto, che è molto diverso da quello di stazione ferroviaria, cominciava a formare degli ingegneri aeronautici, che sono diversi da quelli che si occupano, diciamo, della ferrovia,

per esempio, o delle automobili. Ecco, noi siamo in questo periodo storico, diciamo, di mezzo, tra un periodo in cui era solo scienza, cioè i computer quantistici non c'erano e quindi...

non si poteva provare, non li si poteva usare, si poteva solo scrivere, come ha fatto Shor, un algoritmo, poi sperare che un giorno qualcuno nel futuro l'avrebbe fatto girare, e invece l'arrivo del cosiddetto quantum advantage, cioè quando effettivamente questi computer saranno abbastanza potenti da poterci fare ricerca.

Visto che la computazione quantistica è molto complessa, è molto diversa dalla computazione classica, noi sfruttiamo questo periodo intermedio in cui ci troviamo proprio per cominciare ad utilizzare questi primi computer per imparare, per mettere da parte tutta una serie di algoritmi che, appena avremo dei processori

come ad esempio quello che supera i 1000 qubit e poi anche quelli ancora più grandi, potremo immediatamente cominciare a far girare dei programmi.

Sì perché come giustamente dicevi è importante sviluppare da una parte il computer quantistico ma dall'altra è importante che ci siano anche delle persone in grado di utilizzare e sviluppare per questo tipo, per questi computer qualistici.

E a proposito di questo, cosa sta facendo IBM per facilitare tutto questo? Ad esempio mettete a disposizione questi computer da remoto ai ricercatori?

Sì, sì, sì, assolutamente. Questa è stata anche una svolta strategica da parte della nostra azienda che nel passato ha sempre confezionato un prodotto pronto all'uso e soltanto nel momento in cui era diciamo completamente testato e garantito per l'utilizzo lo metteva in commercio. In realtà per la computazione quantistica ci siamo resi conto che è

fondamentale uno sforzo di comunità, lavorare tutti insieme e quindi fin da 2016 abbiamo messo a disposizione su internet sul nostro portale modalità open access i primi computer quantistici, il primo era un processore da 5 qubit molto molto piccolino e lo stesso framework di programmazione che si basa

su python quindi diciamo abbastanza alla portata di tutti i data scientist che utilizzano questo linguaggio tutti i giorni lo abbiamo donato alla comunità open source, quindi c'è un progetto che si chiama Qiskit, Quantum Information Software Kit, in cui ovviamente l'IBM continua a dare delle sue contribuzioni,

ma che è a tutti gli effetti un progetto open source, quindi chiunque può scrivere programmi utilizzando Qiskit e farli girare su dei processori IBM in maniera totalmente aperta.

Sì, quindi questo in prospettiva di formare e allenare le future generazioni di sviluppatori che utilizzeranno i computer quantistici più potenti.

E fra l'altro hai citato un tema, quello dell'open source di cui abbiamo giusto parlato nella scorsa puntata e abbiamo sottolineato appunto quanto è importante negli ambiti di ricerca appunto ci hai portato un esempio concreto.

Quindi ribadiamo comunque il concetto che i computer quantistici non rappresentano oggi un pericolo per la cybersicurezza proprio perché hanno pochi qubit.

Sì, sì, sì. In questo momento anche i più grandi, anche il processore Eagle, che ci citavamo prima, da 127 qubit non rappresenta un rischio per la crittografia.

Per capirci con i processori che abbiamo oggi, riusciamo molto bene a fattorizzare il numero 15.

Adesso la criptografia lavora su numeri con migliaia di cifre da decriptare, quindi siamo ben lontani da questo.

I computer che mettiamo a disposizione sono invece veramente molto importanti per formare una nuova classe di programmatori che siano pronti ad utilizzare i veri computer quantistici che hanno un quantum advantage che arriveranno tra pochi anni.

In conclusione, ragionando su una prospettiva di lungo termine, in futuro avremo una coesistenza tra i computer classici e quelli quantistici, oppure i computer quantistici prenderanno il sopravvento e arriveremo ad avere un computer quantistico anche sul nostro smartphone?

Dunque, il computer quantistico nello smartphone… virtualmente può già esserci, nel senso che i nostri computer quantistici sono utilizzabili in cloud e quindi è possibile accederli.

Un processore quantistico all'interno dello smartphone è molto difficile, ma noi in realtà siamo ancora vari salti tecnologici a distanza da quella che sarà probabilmente la tecnologia quantistica del futuro.

Uno scienziato che da poco magari aveva realizzato un computer tradizionale a valvole, dirgli se qualcuno l'avrebbe mai potuto portare in tasca probabilmente avrebbe risposto di no, eppure siamo arrivati anche a questo.

Quindi, quella che sarà la tecnologia del futuro e quanto riusciremo a renderli piccoli, questo non lo so, sicuramente il computer quantistico non prenderà il posto di quello tradizionale, di quello classico.

Il computer che noi utilizziamo oggi ci ha abituato ad essere in qualche modo un coltellino svizzero, uno strumento che noi utilizziamo per qualsiasi cosa.

La verità è che esattamente come tutti gli strumenti, ci saranno diversi tipi di computer, diversi tipi di programmi e ognuno avrà il suo ambito in cui eccellerà e quindi andremo ad utilizzare diverse piattaforme hardware a seconda del tipo di calcolo, del tipo di attività che andremo a fare.

Va bene Federico, grazie per averci permesso di approfondire un tema così affascinante e che avrà un impatto determinante e rivoluzionario anche sul nostro futuro.

A presto.

Grazie a voi, a presto.

E così si conclude questa puntata di INSiDER - Dentro la Tecnologia. Io ringrazio come sempre la redazione e in special modo Matteo Gallo e Luca Martinelli che ogni sabato mattina ci permettono di pubblicare un nuovo episodio. Per qualsiasi tipo di domanda o suggerimento scriveteci a redazione@dentrolatecnologia.it, seguiteci su Instagram a @dentrolatecnologia

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Noi ci sentiamo la settimana prossima.