Quantum Computing: cosa cambierà, quanto manca e come prepararsi

Si parla molto di quantum computing, e normalmente con elevata imprecisione. Si tratta di un approccio all’eaborazione dei dati basato su unità elementari dette quantum bit o qubit, enormemente più potente a quella dei classici supercomputer. Questo approccio è basato su leggi fisiche quali la sovrapposizione quantistica (superposition) e l’entanglement, i cui campi di applicazione ed ambienti di elaborazione non sono ancora tracciati.

Si tratta di una tecnologia fortemente collegata a proprietà poco note della fisica: basti pensare che l’entaglement è associato a proprietà quasi magiche, nelle quali persino Einstein si rifiutava di credere. Proprio per questo il quantum computing, o in sintesi QC, è usato con una fortissima valenza di marketing: l’azienda che dovesse averne la supremazia mondiale, infatti, sarebbe indicata come la più potente al mondo, grazie alla capacità di risolvere qualsiasi problema, craccare qualsiasi codice crittografico, teletrasportare informazioni a distanze siderali in tempo reale e acquisire il controllo delle blockchain del Bitcoin e di qualsiasi altro improvvido sistema informatico esistente…

…se solo fosse vero.

Ovviamente non è così. Il quantum computing non è ancora uscito dai laboratori, non sappiamo quali problemi potrà risolvere al di là di alcune tecniche crittografiche e all’analisi di molecole. Sappiamo quali enigmi crittografici può sciogliere, non teletrasportiamo nulla, né trasmettiamo informazioni a velocità maggiore della luce e non sappiamo assolutamente se potrà acquisire il 51% della potenza di calcolo necessaria a controllare la blockchain.

Trattandosi di un settore in piena esplosione e con grande futuro potenziale, è certo che molte delle informazioni fornite in questo articolo verranno aggiornate in breve tempo, ed è ben possibile che alcune di queste informazioni siano obsolete già al momento in cui scriviamo.

La Quantum Supremacy e il suo senso

Oggi il quantum computing (QC da qui in poi) è una tecnologia tutta da sviluppare, che parte da leggi fisiche diverse da quelle classiche e con una matematica del tutto diversa da quella che usiamo normalmente. Questa tecnologia è attualmente realizzata in laboratorio con sistemi di elevate dimensioni ed enormi sistemi di supporto, senza un chiaro equivalente per tutte le componenti di un tradizionale sistema informativo e senza che la matematica di descrizione abbia chiarito quali dei problemi classici possano essere risolti dal QC.

I Quantum Computer esistenti, come l’IBM Q, richiedono enormi sistemi di supporto per operare a temperature prossime allo zero assoluto. (Credit. IBM Research, CC BY-ND 2.0)

Con grandi attenzioni, molti approcci all’hardware quantistico sono oggi sufficientemente stabili da poterne ricavare un servizio disponibile commercialmente.

Nel QC la potenza sale esponenzialmente con il numero di qubit funzionanti: 4 qubit hanno 16 volte la potenza di un qubit singolo, 100 qubit avrebbero la spaventosa potenza di 2^100 elementi singoli. Oggi si naviga intorno ai 50 qubit, tanto che i 53 del Sycamore di Google hanno permesso al colosso di Alphabet di dichiarare la propria “quantum supremacy” sul resto del mondo alla fine del 2019. L’affermazione era rivolta al rivale IBM, il cui computer quantistico chiamato Summit avrebbe impiegato -secondo Google- circa 10 mila anni a risolvere quanto da loro ottenuto in 200 secondi. IBM non conferma i 10 mila anni, ma dichiara un tempo teorico di alcuni giorni, comunque ben lontano dai 200 secondi.

Si tratta -deve essere ripetuto- di applicazioni super specifiche, di nessuna rilevanza commerciale. È vero che esistono sistemi online per scrivere software quantistico e che alcune aziende dichiarano di usarli in pratica, ma si tratta di casi isolati nello sviluppo di soluzioni che al momento non sono pronte a soddisfare le aspettative del mercato.

È importante capire che si tratta di un approccio basato su leggi fisiche che valgono nel microscopico mondo dei quanti, ma che nella vita di noi esseri umani sono controintuitive o anche folli. Un punto che spiega bene queste affermazioni è il seguente: nel quantum computing, la lettura dei dati comporta la loro distruzione. Questo solo aspetto spiega bene la differenza con il tradizionale mondo digitale, dove lettura e copia possono essere operate a piacimento.

Il quantum computer D-Wave installato nel polo di supercomputing Pleiades presso il NASA Ames Research Center a Mountain View California (Credit: Oleg Alexandrov, CC BY-SA-4.0)

Inoltre, l’universo è costantemente attraversato da un numero enorme di particelle che avvicinandosi interagiscono tra di loro. Perché funzionino, i sistemi quantistici devono operare su particelle isolate e a bassissima agitazione, quindi con speciali ed enormi sistemi di contenimento che vanno tenuti a temperature molto vicine a quelle di annullamento delle proprietà della materia, nell’ordine teorico di un millesimo di grado kelvin. A queste temperature, la materia passa a uno stato di aggregazione diverso da quelli che conosciamo, il condensato di Bose-Enistein, nel quale i fenomeni quantistici che di solito si manifestano solo su particelle elementari, avvengono invece su scala macroscopica. Temperature più elevate portano le particelle in stati che oggi non possiamo usare per la computazione. Il mercato è lontano.

Una delle semplificazioni più fuorvianti che si fanno nello spiegare le nuove tecnologie e le sottostanti caratteristiche fisiche e matematiche è di affidarsi a ciò che stupisce il lettore, evocando in lui sensazioni non razionali. Nel quantum computing, un termine che non si sarebbe mai dovuto usare è proprio teletrasporto (teleport in inglese), in quanto fa riferimento ad un immaginario fantascientifico del tutto diverso da ciò che succede in realtà.

Il teletrasporto non esiste. Non esiste la possibilità di decomporre materia nel punto A e ricomporla a grande distanza, e magari istantaneamente, in un lontano punto B. Non esiste né per la materia complessa, né per le particelle elementari.

Cosa è invece possibile fare? Lo stato quantistico di una particella è un elemento d’informazione. Per questa informazione non esiste memoria nel senso tradizionale; la sua lettura distrugge l’informazione stessa. Oggi noi sappiamo compiere una serie di operazioni che permettono la trasmissione sicura e a media distanza di questa informazione, provocando contestualmente la perdita di quella originale.

Vediamo di spiegarci meglio.

Le informazioni contenute nello stato quantistico di una particella vanno trasmesse da A a B.

Tipicamente questa particella è un fotone, ma potrebbe essere anche altro (per esempio uno ione). Ricordiamo che la lettura è un’operazione distruttiva, quindi va fatta solo quando abbiamo certezza dell’avvenuta trasmissione dei dati.

Si prende quindi un’altra particella, quella che andrà fisicamente trasmessa.

Grazie ad un dispositivo trasmettitore, sulle due particelle si esegue un’operazione di entanglement quantistico che porta ai seguenti risultati:

1. Si generano due bit di informazione classica;
2. Si ottiene una particella idonea alla copia: non identica fisicamente, ma che contiene le informazioni che vogliamo trasmettere;
3. Si distrugge la particella originaria.

I passi di questa operazione, con la relativa tempistica, non sono indipendenti quindi impongono vincoli specifici che non dettagliamo in questo articolo.

Dobbiamo ora trasmettere informazione (digitale) e particella (fisica).

I bit classici vengono trasmessi con reti classiche (radio, internet). La particella viene inviata con mezzi opportuni: se è un fotone si possono usare laser (di difficile collimazione) o fibre ottiche (con portata massima di qualche centinaio di km).

Il punto B riceve separatamente bit e particella. Li invia ad un dispositivo ricevitore e li usa per ricostruire l’informazione quantistica (lo stato) che aveva la particella originale.

Ecco perché diciamo che il teletrasporto non esiste. Tra l’altro l’entanglement è molto diverso da come viene solitamente raccontato, con variazioni istantanee anche a distanze galattiche.

Crittografia quantistica

È senz’altro interessante vedere cosa sta accadendo nel mondo della quantum cryptography, alla quale si assegna l’ingrato merito di aver risolto tutti i sistemi crittografici. Uno degli algoritmi essenziali nella tradizionale crittografia è l’RSA, al quale sono affidate quasi tutte le transazioni dall’home banking all’e-commerce. Orbene, l’RSA è stato craccato proprio grazie ad approcci quantistici.

Rispetto alla crittografia tradizionale, la crittografia quantistica si presenta come sicura, perché anche in caso di intercettazione, la lettura distrugge il contenuto. Ovviamente l’attaccante può sabotare il canale, impedendo le comunicazioni e costringendo all’uso di canali tradizionali.

Guardiamo cosa succede nell’ambito dei sistemi a chiave pubblica. I messaggi da scambiarsi sarebbero sicuri se fosse disponibile un canale sicuro, che non esiste. In alternativa avremmo bisogno di un sistema di cifratura indecifrabile, o anche decifrabile purché i messaggianti siano istantaneamente informati di essere stati decodificati.

Nei sistemi crittografici a due chiavi, una pubblica e una privata, queste usano numeri primi di grandi dimensioni, facili da moltiplicare ma difficili da fattorizzare. Inoltre, nel digitale classico i file possono essere copiati senza che gli interlocutori se ne accorgano.

Questi algoritmi, molto sicuri con elaborazione tradizionale, sono inefficaci se si dispone di qubit. L’algoritmo di Peter Shor (1994), che fattorizza i numeri primi, è a tutt’oggi il più noto nella crittografia quantistica. La fattorizzazione dei primi è un problema tradizionalmente di complessità sub-esponenziale, mente con Shor diventa polinomiale e quindi facilmente trattabile.

Gli hardware quantistici sono diversi tra loro e permettono implementazioni diverse di un algoritmo di base, impiegando anche un numero diverso di qubit. Affinché l’algoritmo sia efficace, deve operare su un numero ridotto di qubit, lavorando su numeri primi grandi a piacere e in un tempo ovviamente ridotto.

Passare da esponenziale a polinomiale invalida quindi quasi tutti gli algoritmi usati. Semplificare la fattorizzazione svela direttamente le chiavi RSA. Con poco sforzo, lo stesso algoritmo risolve anche il residuosity problem sul quale si fondano il Goldwasser-Micali e il Paillier. Può inoltre essere usato per decifrare il discrete log di Elgamal, ECC e Cramer-Shoup.

Come dicevamo prima, è facile trovare in letteratura frasi che identificano nel quantum computing l’assassino della crittografia. In realtà non è così: grazie alla nuova soluzione, la crittografia tradizionale verrà superata con algoritmi già esistenti quali Lattice-based (es. Ntru), Multivariate (Rainbow), Hash-based (Lamport, Merkle), Code-based (McEliece, Niederreiter), Supersingular ECC e Symmetric key cryptography (lista di Paul Goutam).

Gli algoritmi quantistici

Esistono molti algoritmi applicabili nel nuovo ambiente di elaborazione. Una più lunga lista è… ingabbiata nello Zoo Quantico, mentre una più recente lista di applicazioni, aggiornata a gennaio 2020, è disponibile su Builtin e comprende anche applicazioni solari o meteorologiche, già implementate e commercializzate. Ma si tratta di applicazioni specifiche.

In cerca del quantum hardware

Oggi non è possibile immaginare un time frame realistico per nessuna delle soluzioni hardware in via di sviluppo da proporre al grande mercato generale. La mappatura diretta tra classiche risorse hardware e soluzioni quantistiche non è possibile: non in tutti gli approcci al quantum hardware infatti esistono tutte le componenti necessarie come processore, memoria, storage, linee di trasmissione, ripetitori eccetera.

In tecnologia, già tre anni sono un periodo lughissimo. È però estremamente probabile che di anno in anno, e comunque entro dieci anni, sapremo se e cosa possiamo fare con ciascuno di questi approcci, quale delle soluzioni dai laboratori uscirà dai centri per andare nelle aziende grandi, medie, piccole, e quali invece si fermeranno prima.

Anche per le aziende di oggi è comunque estremamente importante essere informati su cosa sta accadendo, perché il successo commerciale in uno specifico campo arriverà all’improvviso e determinerà la morte automatica di interi settori.

Su scala mondiale, molte aziende stanno proponendo hardware quantistici di grande rilevanza e dall’approccio diverso: dai superconduttori (Google, IBM, Rigetti) alle trappole ioniche (IonQ), dalla fotonica (PsiQuantum) all’approccio topologico (Microsoft), per finire con gli atomi freddi seguiti, tra gli altri, da Mikhail Lukin.

Un apparato che fa scambiare a due ioni di berillio la minima quantità di energia misurabile, per semplificare l’elaborazione nel chip del quantum computer del National Institute of Standards and Technology. (Credit: NIST, pubblico dominio)

Leggi anche: Le cinque aziende che dominano il panorama del quantum computing

La lista di produttori di quell’articolo può essere ampliata e comprendere i seguenti fornitori: Airbus, Alibaba, D-Wave, Google, Hewlett-Packard, IBM, Intel, IonQ, Rigetti e Raytheon.

Quantum programming in pratica

È quindi opportuno tenersi aggiornati con corsi ed applicazioni pratiche della tecnologia, seguendone le applicazioni che via via verranno realizzate. In rete esistono diversi approcci disponibili on-line realizzati da Amazon, D-Wave, Ibm e Microsoft.

Amazon Braket

Il servizio di Amazon sfrutta i chip di Rigetti basati su superconduttori, inizialmente su chip a 32 qubit. Sarà possibile integrare applicazioni quantistiche nei normali servizi AWS.

Leggi: Amazon entra nell’arena del Quantum Computing con Braket

D-Wave Leap

Iscrivendosi a questo servizio si acquisiscono 60 secondo di elaborazione sul QPU di Leap. Questo tempo può risolvere tra 400 e 4.000 problemi, secondo la pagina di accesso. Ulteriore tempo viene erogato se si forniscono le credenziali github, il che apre molti spazi per i gruppi con più programmatori attivi.

IBM Quantum  Experience

L’accesso dato da IBM permette la programmazione grafica grazie al Circuit  Composer. Il notebook Qiskit è integrato con il classico notebook Jupyter.

Microsoft Quantum devkit

Azure Quantum è il servizio offerto a Microsoft per permettere lo sviluppo di quantum software basato sul linguaggio Q# e il suo ambiente, il QDK, all’interno del mondo cloud di Azure.

Leggi: Disponibile il Quantum Development Kit di Microsoft

È interessante anche Annealer, un approccio con cui Fujitsu promette di semplificare la risoluzione di problemi di ottimizzazione propri della trasformazione digitale.