Il quantum computing rappresenta la futura rivoluzione industriale e tecnologica che stravolgerà le modalità computazionali in diversi settori strategici, in particolare quello delle comunicazioni sicure. I governi di tutto il mondo stanno investendo molto nello sviluppo di queste nuove “potenze computazionali” attese per il 2025.
Anche la Commissione europea promuove e sostiene questa tecnologia attraverso diversi programmi di ricerca, mentre la comunità scientifica internazionale è impegnata già da diversi anni sulle opportunità applicative della fisica e della meccanica quantistica in settori come la comunicazione, la sensoristica, la simulazione e il calcolo.
Nei computer quantistici la fisica e la meccanica quantistica prendono il posto dell’elettronica digitale, dove il bit è sostituito dal qbit, come unità di misura elementare dell’informazione. Il primo può assumere due soli valori, 0 o 1, che rappresentano i possibili stati di carica di un transistor, mentre il secondo, più complesso, sfrutta due concetti chiave della meccanica quantistica, ovvero la sovrapposizione coerente di stati e l’entanglement quantistico. Proviamo a chiarire questi due concetti.
Secondo il principio di sovrapposizione, quando un elettrone è immerso in un campo magnetico, può avere lo spin allineato con il campo magnetico oppure avere spin opposto.
Secondo il principio di correlazione quantistica, o entanglement, le particelle che hanno interagito tra loro, purché in un sistema completamente isolato, conservano una connessione tale che, noto lo spin di una si può conoscere automaticamente anche lo spin dell’altra: se la prima è in spin-up, la seconda sarà in spin-down, indipendentemente dalla distanza che le separa, cioè possono influenzarsi a vicenda anche se non sono fisicamente connesse.
Per il principio della sovrapposizione, quindi, il qbit può assumere entrambi gli stati, cioè essere contemporaneamente 0 e 1, consentendogli così di elaborare, rispetto al bit, più “informazione” nello stesso momento, e per l’entanglement il trasferimento delle informazioni avviene, da un punto ad un altro di un sistema, quasi del tutto istantaneamente, anche se i due punti sono molto distanti tra loro. Il tutto si traduce in una enorme capacità di calcolo a una grandissima velocità di esecuzione e con capacità di archiviazione che aumenta in modo esponenziale con il numero di qbit a disposizione.
Il chip quantistico, quindi, è in grado di realizzare calcoli a velocità fino a poco tempo fa impensabili perché riesce ad avere contemporaneamente un enorme numero di configurazioni completamente diverse: per risolvere un problema assegnato, lavorando attraverso il calcolo parallelo, può fornire moltissime soluzioni per lo stesso problema nello stesso momento.
C’è però un problema di stabilità: tutto questo è possibile solo se il quantum-chip non è soggetto ad alcuna fonte di rumore, per cui deve lavorare in un ambiente perfettamente isolato: calore e vibrazioni, ad esempio, non sono ammessi. Gli esemplari attualmente funzionanti, lavorano ad una temperatura di -273,15°C, temperatura prossima allo zero assoluto. La tecnologia non è ancora matura e i costi di realizzazione sono davvero elevati: si parla di circa 10 milioni di dollari per un quantum computer.
La Commissione europea ha investito un miliardo di euro per la ricerca in questo campo, in un programma di ricerca decennale partito nel 2016: la Flagship in Quantum Technologies (nell’ambito del Programma Quadro di ricerca Horizon 2020) la cui partecipazione in Italia di ricercatori, imprenditori e rappresentanti delle istituzioni ed eccellenze scientifiche è coordinata dal Consiglio Nazionale della Ricerca.
La tecnologia promette l’assoluta sicurezza della trasmissione dei dati, per le caratteristiche intrinseche dei segnali ottici (e non più radio) per cui, in combinazione con la crittografia quantistica, risulterebbe inviolabile persino ai computer quantistici stessi.
Nelle comunicazioni satellitari la meccanica quantistica è già utilizzata per la sicurezza e si sta valutando anche la possibilità di realizzare in futuro il quantum-internet, a patto che tutte le parti interessate abbiano concordato un sistema comune.
La sicurezza di un sistema crittografico dipende da vari fattori quali, ad esempio, la standardizzazione dell’algoritmo, la lunghezza della chiave di cifratura, il tipo di algoritmo utilizzato, ma anche e soprattutto l’evoluzione tecnologica: un algoritmo di cifratura ritenuto inviolabile qualche anno fa, oggi è obsoleto solo per il fatto che nel frattempo sono state costruite macchine a potenza computazionale sufficiente a forzare quel determinato schema crittografico.
Così ad esempio lo standard asimmetrico RSA (Rivest-Shamir-Adleman) ritenuto fino ad oggi sicuro, con l’avvento dei computer quantistici, grazie all’esponenziale accelerazione della loro potenza di calcolo, sarà presto a rischio.
Bisognerà inizialmente progettare nuove tecniche di cifratura post-quantum, che possano garantire un certo grado di sicurezza anche in presenza di macchine quantistiche dalla potenza computazionale estremamente potente.
La distribuzione quantistica di chiavi crittografiche sfrutta le proprietà della luce a livello quantistico (la sola osservazione di un fotone ne altera lo stato di polarizzazione, quindi la direzione di oscillazione nello spazio del campo magnetico) permettendo di rivelare in tempo reale la presenza di intrusi in una comunicazione.
Investire in ricerca e innovazione significa investire nel futuro, un futuro non poi così tanto lontano.
Quantum computer IBM
(Elisabetta Patrimia - Digital Promoter PID Taranto - tel. 0997783067)