l'analisi

Quantum computing, è vera rivoluzione? Dove ci porterà e come arrivare preparati

Il quantum computing si è trasformato, negli ultimi dieci anni, da un’idea astratta a una realtà concreta. Esistono limiti tecnologici che ne impediscono l’uso su larga scala in ambito industriale, ma potrebbero essere presto superati. Come arrivare preparati alla quantum revolution

24 Mag 2022
Alberto Baiardi

ETH Zurich

fisica quantum Foto di Gerd Altmann da Pixabay

Il quantum computing è emerso, negli ultimi anni, come una delle tecnologie che potrebbero rivoluzionare, nei prossimi anni, le tecnologie.[1]

L’idea alla base del quantum computing è quella di costruire computer che utilizzino componenti elementari che siano descritti dalle leggi della meccanica quantistica.

Quantum computing: dove siamo davvero al di là degli annunci

La possibilità di sfruttare queste leggi per costruire computer estremamente potenti è nota fin dall’inizio degli anni ‘80.[2] Solo negli ultimi anni, però, il progresso tecnologico ha permesso di costruire, in pratica, i primi prototipi di quantum computer, grazie anche agli investimenti di molte big tech, tra cui Amazon, Google, e Microsoft. Nonostante questi prototipi non siano ancora abbastanza potenti da permettere di superare l’efficienza di un computer classico, questo gap potrebbe essere chiuso nei prossimi anni.[3]

È quindi fondamentale comprendere i principi che sono alla base del quantum computing per poter valutare l’impatto che questa nuova tecnologia potrà avere in ogni ambito della scienza e della tecnologia.

Come funziona un computer quantistico

Cosa serve per costruire computer quantistici efficienti

Grazie a questa capacità di rappresentare dati in maniera estremamente compatta, già un computer quantistico formato da poche decine di qubits può effettuare uno specifico task in maniera più efficiente di un computer classico e, quindi, permette di osservare una practical quantum advantage. La possibilità di rappresentare dati in maniera estremamente compatta non basta, però, per costruire computer quantistici efficienti. È necessario sviluppare anche algoritmi che possano processare ed elaborare i dati rappresentati nei qubits, sempre sfruttando i principi di meccanica quantistica come, ad esempio, l’entanglement. Supponiamo, ad esempio, di avere un database con entries (ad esempio, una lista di numeri di telefono) e di dover fare identificare, tramite una query, l’unico elemento che soddisfa una particolare condizione (ad esempio, un numero che inizia con un certo prefisso). È inutile rappresentare il database in maniera efficiente su un quantum computer se poi non esiste un modo per identificare un determinato elemento in maniera efficiente. In questo caso, l’algoritmo esiste, prende il nome di algoritmo di Grover,[4] ed è più efficiente del suo analogo classico.

WHITEPAPER
Supply Chain: ecco come ottenere un tracciamento trasparente grazie all'IoT
IoT
Industria 4.0

Quantum computing e simulazioni molecolari

Problemi per cui 1) è possibile sfruttare la potenza di rappresentazione dei qubits e 2) esiste un algoritmo quantistico che permetta di risolverli in maniera efficiente sono potenziali killer applications per quantum computer. Le simulazioni molecolari e, in particolare, la chimica quantistica sono state identificate come uno dei campi in cui è possibile osservare la practical quantum advantage. Lo scopo principale di una simulazione molecolare è quello di predire virtualmente le proprietà di un composto chimico. Per poter ottimizzare computazionalmente, ad esempio, lo sviluppo di nuovi farmaci o il design di nuovi catalizzatori per processi industriali. Una molecola è composta da particelle, i nuclei e gli elettroni, le cui proprietà sono descritte dalla meccanica quantistica. Un computer basato su componenti elementari quantistici, come un quantum computer, è quindi la piattaforma ideale per simulare le proprietà di una molecola.

Per questo motivo, le simulazioni molecolari sono il target ideale per il quantum computing: il loro costo computazionale su un computer classico è estremamente elevato e, allo stesso tempo, esiste un algoritmo, che prende il nome di quantum phase estimation, che permette di ridurre questo costo computazionale esponenzialmente. In pratica, un computer quantistico con soli 100/200 qubits è sufficiente per effettuare simulazioni molecolari che sono intrattabili per un computer classico. La roadmap proposta dai laboratori di ricerca IBM[5] nel 2020 prevede che hardware quantistici di queste dimensioni saranno disponibili nei prossimi anni.

L’algoritmo di Shor e la cybersecurity

Le simulazioni molecolari non sono l’unico campo di applicazione per il quantum computing. Uno dei primi algoritmi quantistici che sono stati ideati è l’algoritmo di Shor,[6] che permette di fattorizzare un numero intero nei suoi numeri primi. Come nel caso delle simulazioni molecolari, anche questo problema è computazionalmente intrattabile su un computer classico ma diventa, grazie all’algoritmo di Shor, un target semplice per un quantum computer. La possibilità di fattorizzare efficientemente un numero nei suoi fattori primi avrebbe un impatto dirompente nell’ambito della cybersecurity. Infatti, la sicurezza di molti algoritmi di crittografia asimmetrica si basa sull’assunzione che fattorizzare un numero intero sia un problema computazionalmente intrattabile. Questa assunzione è valida solo per un computer classico ma non per il suo analogo quantistico.

Il fatto che esistano problemi che un quantum computer può risolvere in maniera estremamente efficiente non implica, però, che i quantum computer possano sostituire in toto i computer classici. Esistono, infatti, molti task che possono essere effettuati in maniera estremamente efficiente su un computer classico. Ad esempio, un quantum computer è inefficiente nel leggere dati di input, come ad esempio le entries di un database e, per questo motivo, non è chiaro se, in futuro, il quantum computing potrà trovare applicazioni pratiche nell’ambito del machine learning.

Diverse tecniche sono state proposte per realizzare, in pratica, qubits, basate, ad esempio, su materiali semiconduttori o su trapped ions (cioè atomi confinati attraverso radiazione elettromagnetica). In ogni caso, un qubit è un oggetto estremamente sensibile. Perturbazioni esterne come, ad esempio, effetti termici sono sufficienti per modificare lo stato di un qubit. Queste perturbazioni possono alterare lo stato di un qubit e, quindi, corrompere l’informazione che codifica. Per questo motivo, un quantum computer deve essere mantenuto a temperature molto vicine allo zero assoluto per poter preservare la sua stabilità. Questo limite tecnologico impedisce, attualmente, di poter utilizzare i quantum computer per risolvere problemi di utilità pratica. Ad esempio, hardware quantistici sono attualmente in grado di fattorizzare solo numeri molto piccoli (il numero più grande che è stato fattorizzato è 21[7]), e non sono abbastanza stabili per poter simulare le proprietà di molecole complesse, come il sito attivo di un farmaco. Per questo motivo, rimane ancora impensabile poter utilizzare quantum computer su larga scala.

Conclusioni

In conclusione, il quantum computing si è trasformato, negli ultimi 10 anni, da un’idea astratta a una realtà concreta. Esistono limiti tecnologici che, attualmente, impediscono di utilizzare un quantum computer su larga scala in ambito industriale. Nonostante ciò, lo sviluppo tecnologico potrebbe permettere, nei prossimi anni, di avere quantum computers stabili composti da più di 100 qubits stabili. Un hardware di queste dimensioni potrebbe permettere di risolvere problemi che sono attualmente computazionalmente intrattabili. È quindi fondamentale valutare l’impatto che il quantum computing potrà avere in ogni campo, sia di ricerca che industriale, per poter adattare ogni nostro strumento computazionale all’avvento della quantum revolution.

Note

  1. https://www.forbes.com/sites/forbestechcouncil/2022/02/01/the-four-technology-trends-that-are-most-likely-to-shape-innovation-in-2022/?sh=74285b9f1f97
  2. R. P. Feynman “Simulating physics with computers” Int. J. Theoret. Phys. 21, 467 (1982)
  3. https://www.technologyreview.com/2022/03/28/1048355/quantum-computing-has-a-hype-problem/
  4. L. K. Grover (1996), “A fast quantum mechanical algorithm for database search”, Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on the Theory of Computing (STOC 1996)
  5. https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap
  6. Shor, P.W. (1994). “Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring”. Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE Comput. Soc. Press: 124–134.
  7. Martín-López, Enrique; Martín-López, Enrique; Laing, Anthony; Lawson, Thomas; Alvarez, Roberto; Zhou, Xiao-Qi; O’Brien, Jeremy L. “Experimental realization of Shor’s quantum factoring algorithm using qubit recycling”. Nature Photonics, 6, 773 (2012)
@RIPRODUZIONE RISERVATA

Speciale PNRR

Tutti
Incentivi
Salute digitale
Formazione
Analisi
Sostenibilità
PA
Sostemibilità
Sicurezza
Digital Economy
CODICE STARTUP
Imprenditoria femminile: come attingere ai fondi per le donne che fanno impresa
DECRETI
PNRR e Fascicolo Sanitario Elettronico: investimenti per oltre 600 milioni
IL DOCUMENTO
Competenze digitali, ecco il nuovo piano operativo nazionale
STRUMENTI
Da Istat e RGS gli indicatori per misurare la sostenibilità nel PNRR
STRATEGIE
PNRR – Piano nazionale di Ripresa e Resilienza: cos’è e novità
FONDI
Pnrr, ok della Ue alla seconda rata da 21 miliardi: focus su 5G e banda ultralarga
GREEN ENERGY
Energia pulita: Banca Sella finanzia i progetti green incentivati dal PNRR
TECNOLOGIA SOLIDALE
Due buone notizie digitali: 500 milioni per gli ITS e l’inizio dell’intranet veloce in scuole e ospedali
INNOVAZIONE
Competenze digitali e InPA cruciali per raggiungere gli obiettivi del Pnrr
STRATEGIE
PA digitale 2026, come gestire i fondi PNRR in 5 fasi: ecco la proposta
ANALISI
Value-based healthcare: le esperienze in Italia e il ruolo del PNRR
Strategie
Accordi per l’innovazione, per le imprese altri 250 milioni
Strategie
PNRR, opportunità e sfide per le smart city
Strategie
Brevetti, il Mise mette sul piatto 8,5 milioni
Strategie
PNRR e opere pubbliche, la grande sfida per i Comuni e perché bisogna pensare digitale
Formazione
Trasferimento tecnologico, il Mise mette sul piatto 7,5 milioni
Strategie
PSN e Strategia Cloud Italia: a che punto siamo e come supportare la PA in questo percorso
Dispersione idrica
Siccità: AI e analisi dei dati possono ridurre gli sprechi d’acqua. Ecco gli interventi necessari
PNRR
Cloud, firmato il contratto per l’avvio di lavori del Polo strategico
Formazione
Competenze digitali, stanziati 48 milioni per gli Istituti tecnologici superiori
Iniziative
Digitalizzazione delle reti idriche: oltre 600 milioni per 21 progetti
Competenze e competitività
PNRR, così i fondi UE possono rilanciare la ricerca e l’Università
Finanziamenti
PNRR, si sbloccano i fondi per l’agrisolare
Sanità post-pandemica
PNRR, Missione Salute: a che punto siamo e cosa resta da fare
Strategie
Sovranità e autonomia tecnologica nazionale: come avviare un processo virtuoso e sostenibile
La relazione
Pnrr e PA digitale, l’alert della Corte dei conti su execution e capacità di spesa
L'editoriale
Elezioni 2022, la sfida digitale ai margini del dibattito politico
Strategie
Digitale, il monito di I-Com: “Senza riforme Pnrr inefficace”
Transizione digitale
Pnrr: arrivano 321 milioni per cloud dei Comuni, spazio e mobilità innovativa
L'analisi I-COM
Il PNRR alla prova delle elezioni: come usare bene le risorse e centrare gli obiettivi digitali
Cineca
Quantum computing, una svolta per la ricerca: lo scenario europeo e i progetti in corso
L'indice europeo
Desi, l’Italia scala due posizioni grazie a fibra e 5G. Ma è (ancora) allarme competenze
L'approfondimento
PNRR 2, ecco tutte le misure per cittadini e imprese: portale sommerso, codice crisi d’impresa e sismabonus, cosa cambia
Servizi digitali
PNRR e trasformazione digitale: ecco gli investimenti e le riforme previste per la digitalizzazione della PA
Legal health
Lo spazio europeo dei dati sanitari: come circoleranno le informazioni sulla salute nell’Unione Europea
Servizi digitali
PNRR e PA digitale: non dimentichiamo la dematerializzazione
Digital Healthcare transformation
La trasformazione digitale degli ospedali
Governance digitale
PA digitale, è la volta buona? Così misure e risorse del PNRR possono fare la differenza
Servizi digitali
Comuni e digitale, come usare il PNRR senza sbagliare
La survey
Pnrr e digitale accoppiata vincente per il 70% delle pmi italiane
Missione salute
Fascicolo Sanitario Elettronico alla prova del PNRR: limiti, rischi e opportunità
Servizi pubblici
PNRR: come diventeranno i siti dei comuni italiani grazie alle nuove risorse
Skill gap
PNRR, la banda ultra larga crea 20.000 nuovi posti di lavoro
Il Piano
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUMPA2022
PNRR e trasformazione digitale: rivedi i Talk di FORUM PA 2022 in collaborazione con le aziende partner
I contratti
Avio, 340 milioni dal Pnrr per i nuovi propulsori a metano
Next Generation EU
PNRR, a che punto siamo e cosa possono aspettarsi le aziende private
Fondi
Operativo il nuovo portale del MISE con tutti i finanziamenti per le imprese
Servizi comunali
Il PNRR occasione unica per i Comuni digitali: strumenti e risorse per enti e cittadini
Healthcare data platform
PNRR dalla teoria alla pratica: tecnologie e soluzioni per l’innovazione in Sanità
Skill
Competenze digitali, partono le Reti di facilitazione
Gli obiettivi
Scuola 4.0, PNRR ultima chance: ecco come cambierà il sistema formativo
Sistema Paese
PNRR 2, è il turno della space economy
FORUM PA 2022
FORUM PA 2022: la maturità digitale dei comuni italiani rispetto al PNRR
Analisi
PNRR: dalla Ricerca all’impresa, una sfida da cogliere insieme
Innovazione
Pnrr, il Dipartimento per la Trasformazione digitale si riorganizza
FORUM PA 2022
PA verde e sostenibile: il ruolo di PNRR, PNIEC, energy management e green public procurement
Analisi
PNRR, Comuni e digitalizzazione: tutto su fondi e opportunità, in meno di 3 minuti. Guarda il video!
Rapporti
Competenze digitali e servizi automatizzati pilastri del piano Inps
Analisi
Attuazione del PNRR: il dialogo necessario tra istituzioni e società civile. Rivedi lo Scenario di FORUM PA 2022
Progetti
Pnrr, fondi per il Politecnico di Torino. Fra i progetti anche IS4Aerospace
Analisi
PNRR, Colao fa il punto sulla transizione digitale dell’Italia: «In linea con tutte le scadenze»
La Svolta
Ict, Istat “riclassifica” i professionisti. Via anche al catalogo dati sul Pnrr
Analisi
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUM PA 2022
Ecosistema territoriale sostenibile: l’Emilia Romagna tra FESR e PNRR
Il Piano
Innovazione, il Mise “centra” gli obiettivi Pnrr: attivati 17,5 miliardi
Analisi
PNRR: raggiunti gli obiettivi per il primo semestre 2022. Il punto e qualche riflessione
Analisi
PNRR: dal dialogo tra PA e società civile passa il corretto monitoraggio dei risultati, tra collaborazione e identità dei luoghi
Webinar
Comuni e PNRR: un focus sui bandi attivi o in pubblicazione
Analisi
Formazione 4.0: cos’è e come funziona il credito d’imposta
PA e Sicurezza
PA e sicurezza informatica: il ruolo dei territori di fronte alle sfide della digitalizzazione
PA e sicurezza
PNRR e servizi pubblici digitali: sfide e opportunità per Comuni e Città metropolitane
Water management
Water management in Italia: verso una transizione “smart” e “circular” 
LE RISORSE
Transizione digitale, Simest apre i fondi Pnrr alle medie imprese
Prospettive
Turismo, cultura e digital: come spendere bene le risorse del PNRR
Analisi
Smart City: quale contributo alla transizione ecologica
Decarbonizzazione
Idrogeno verde, 450 milioni € di investimenti PNRR, Cingolani firma
Unioncamere
PNRR, imprese in ritardo: ecco come le Camere di commercio possono aiutare
I fondi
Industria 4.0: solo un’impresa su tre pronta a salire sul treno Pnrr
CODICE STARTUP
Imprenditoria femminile: come attingere ai fondi per le donne che fanno impresa
DECRETI
PNRR e Fascicolo Sanitario Elettronico: investimenti per oltre 600 milioni
IL DOCUMENTO
Competenze digitali, ecco il nuovo piano operativo nazionale
STRUMENTI
Da Istat e RGS gli indicatori per misurare la sostenibilità nel PNRR
STRATEGIE
PNRR – Piano nazionale di Ripresa e Resilienza: cos’è e novità
FONDI
Pnrr, ok della Ue alla seconda rata da 21 miliardi: focus su 5G e banda ultralarga
GREEN ENERGY
Energia pulita: Banca Sella finanzia i progetti green incentivati dal PNRR
TECNOLOGIA SOLIDALE
Due buone notizie digitali: 500 milioni per gli ITS e l’inizio dell’intranet veloce in scuole e ospedali
INNOVAZIONE
Competenze digitali e InPA cruciali per raggiungere gli obiettivi del Pnrr
STRATEGIE
PA digitale 2026, come gestire i fondi PNRR in 5 fasi: ecco la proposta
ANALISI
Value-based healthcare: le esperienze in Italia e il ruolo del PNRR
Strategie
Accordi per l’innovazione, per le imprese altri 250 milioni
Strategie
PNRR, opportunità e sfide per le smart city
Strategie
Brevetti, il Mise mette sul piatto 8,5 milioni
Strategie
PNRR e opere pubbliche, la grande sfida per i Comuni e perché bisogna pensare digitale
Formazione
Trasferimento tecnologico, il Mise mette sul piatto 7,5 milioni
Strategie
PSN e Strategia Cloud Italia: a che punto siamo e come supportare la PA in questo percorso
Dispersione idrica
Siccità: AI e analisi dei dati possono ridurre gli sprechi d’acqua. Ecco gli interventi necessari
PNRR
Cloud, firmato il contratto per l’avvio di lavori del Polo strategico
Formazione
Competenze digitali, stanziati 48 milioni per gli Istituti tecnologici superiori
Iniziative
Digitalizzazione delle reti idriche: oltre 600 milioni per 21 progetti
Competenze e competitività
PNRR, così i fondi UE possono rilanciare la ricerca e l’Università
Finanziamenti
PNRR, si sbloccano i fondi per l’agrisolare
Sanità post-pandemica
PNRR, Missione Salute: a che punto siamo e cosa resta da fare
Strategie
Sovranità e autonomia tecnologica nazionale: come avviare un processo virtuoso e sostenibile
La relazione
Pnrr e PA digitale, l’alert della Corte dei conti su execution e capacità di spesa
L'editoriale
Elezioni 2022, la sfida digitale ai margini del dibattito politico
Strategie
Digitale, il monito di I-Com: “Senza riforme Pnrr inefficace”
Transizione digitale
Pnrr: arrivano 321 milioni per cloud dei Comuni, spazio e mobilità innovativa
L'analisi I-COM
Il PNRR alla prova delle elezioni: come usare bene le risorse e centrare gli obiettivi digitali
Cineca
Quantum computing, una svolta per la ricerca: lo scenario europeo e i progetti in corso
L'indice europeo
Desi, l’Italia scala due posizioni grazie a fibra e 5G. Ma è (ancora) allarme competenze
L'approfondimento
PNRR 2, ecco tutte le misure per cittadini e imprese: portale sommerso, codice crisi d’impresa e sismabonus, cosa cambia
Servizi digitali
PNRR e trasformazione digitale: ecco gli investimenti e le riforme previste per la digitalizzazione della PA
Legal health
Lo spazio europeo dei dati sanitari: come circoleranno le informazioni sulla salute nell’Unione Europea
Servizi digitali
PNRR e PA digitale: non dimentichiamo la dematerializzazione
Digital Healthcare transformation
La trasformazione digitale degli ospedali
Governance digitale
PA digitale, è la volta buona? Così misure e risorse del PNRR possono fare la differenza
Servizi digitali
Comuni e digitale, come usare il PNRR senza sbagliare
La survey
Pnrr e digitale accoppiata vincente per il 70% delle pmi italiane
Missione salute
Fascicolo Sanitario Elettronico alla prova del PNRR: limiti, rischi e opportunità
Servizi pubblici
PNRR: come diventeranno i siti dei comuni italiani grazie alle nuove risorse
Skill gap
PNRR, la banda ultra larga crea 20.000 nuovi posti di lavoro
Il Piano
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUMPA2022
PNRR e trasformazione digitale: rivedi i Talk di FORUM PA 2022 in collaborazione con le aziende partner
I contratti
Avio, 340 milioni dal Pnrr per i nuovi propulsori a metano
Next Generation EU
PNRR, a che punto siamo e cosa possono aspettarsi le aziende private
Fondi
Operativo il nuovo portale del MISE con tutti i finanziamenti per le imprese
Servizi comunali
Il PNRR occasione unica per i Comuni digitali: strumenti e risorse per enti e cittadini
Healthcare data platform
PNRR dalla teoria alla pratica: tecnologie e soluzioni per l’innovazione in Sanità
Skill
Competenze digitali, partono le Reti di facilitazione
Gli obiettivi
Scuola 4.0, PNRR ultima chance: ecco come cambierà il sistema formativo
Sistema Paese
PNRR 2, è il turno della space economy
FORUM PA 2022
FORUM PA 2022: la maturità digitale dei comuni italiani rispetto al PNRR
Analisi
PNRR: dalla Ricerca all’impresa, una sfida da cogliere insieme
Innovazione
Pnrr, il Dipartimento per la Trasformazione digitale si riorganizza
FORUM PA 2022
PA verde e sostenibile: il ruolo di PNRR, PNIEC, energy management e green public procurement
Analisi
PNRR, Comuni e digitalizzazione: tutto su fondi e opportunità, in meno di 3 minuti. Guarda il video!
Rapporti
Competenze digitali e servizi automatizzati pilastri del piano Inps
Analisi
Attuazione del PNRR: il dialogo necessario tra istituzioni e società civile. Rivedi lo Scenario di FORUM PA 2022
Progetti
Pnrr, fondi per il Politecnico di Torino. Fra i progetti anche IS4Aerospace
Analisi
PNRR, Colao fa il punto sulla transizione digitale dell’Italia: «In linea con tutte le scadenze»
La Svolta
Ict, Istat “riclassifica” i professionisti. Via anche al catalogo dati sul Pnrr
Analisi
Spazio, Colao fa il punto sul Pnrr: i progetti verso la milestone 2023
FORUM PA 2022
Ecosistema territoriale sostenibile: l’Emilia Romagna tra FESR e PNRR
Il Piano
Innovazione, il Mise “centra” gli obiettivi Pnrr: attivati 17,5 miliardi
Analisi
PNRR: raggiunti gli obiettivi per il primo semestre 2022. Il punto e qualche riflessione
Analisi
PNRR: dal dialogo tra PA e società civile passa il corretto monitoraggio dei risultati, tra collaborazione e identità dei luoghi
Webinar
Comuni e PNRR: un focus sui bandi attivi o in pubblicazione
Analisi
Formazione 4.0: cos’è e come funziona il credito d’imposta
PA e Sicurezza
PA e sicurezza informatica: il ruolo dei territori di fronte alle sfide della digitalizzazione
PA e sicurezza
PNRR e servizi pubblici digitali: sfide e opportunità per Comuni e Città metropolitane
Water management
Water management in Italia: verso una transizione “smart” e “circular” 
LE RISORSE
Transizione digitale, Simest apre i fondi Pnrr alle medie imprese
Prospettive
Turismo, cultura e digital: come spendere bene le risorse del PNRR
Analisi
Smart City: quale contributo alla transizione ecologica
Decarbonizzazione
Idrogeno verde, 450 milioni € di investimenti PNRR, Cingolani firma
Unioncamere
PNRR, imprese in ritardo: ecco come le Camere di commercio possono aiutare
I fondi
Industria 4.0: solo un’impresa su tre pronta a salire sul treno Pnrr

Articolo 1 di 4