Un computer quantistico non è un normale computer dotato di un processore più potente. Non nasce per sostituire indistintamente server, workstation e personal computer, ma per eseguire particolari algoritmi sfruttando fenomeni descritti dalla meccanica quantistica.
Anche l’immagine, ormai molto diffusa, del grande apparato dorato sospeso all’interno di una struttura cilindrica può trarre in inganno. Quell’apparato è il sistema criogenico utilizzato da alcune famiglie di processori quantistici, non il computer quantistico nella sua interezza.
Una macchina completa comprende il processore quantistico, l’ambiente fisico necessario al suo funzionamento, l’elettronica o l’ottica di controllo, i sistemi di lettura, uno o più computer classici e il software che coordina l’intero processo.
Non esiste inoltre un’unica tecnologia con cui costruire i qubit. I sistemi superconduttivi, quelli a ioni intrappolati, gli atomi neutri e le piattaforme fotoniche richiedono apparati differenti. Per capire davvero come è composto un computer quantistico occorre quindi distinguere ciò che appartiene a tutte le architetture da ciò che caratterizza soltanto alcune di esse.
Dal bit al qubit
Un computer classico rappresenta l’informazione attraverso bit che assumono il valore 0 oppure 1.
Un qubit è invece un sistema fisico quantistico che può essere preparato in una combinazione degli stati indicati convenzionalmente con 0 e 1. Questa condizione viene chiamata sovrapposizione.
La sovrapposizione non significa però che, leggendo il qubit, si possano ottenere contemporaneamente entrambi i valori. La misurazione produce un risultato classico e modifica lo stato quantistico osservato. Le probabilità con cui vengono rilevati i diversi risultati dipendono da come il qubit è stato preparato e dalle operazioni eseguite durante il calcolo.
Un algoritmo quantistico non si limita quindi a inserire tutte le risposte possibili in una sovrapposizione. Deve manipolare gli stati attraverso una sequenza precisa di operazioni, facendo in modo che l’interferenza quantistica aumenti la probabilità dei risultati utili e riduca quella dei risultati indesiderati.
È questa elaborazione controllata, non la semplice presenza della sovrapposizione, a poter produrre un vantaggio rispetto a un algoritmo classico.
Che cos’è l’entanglement
Due o più qubit possono essere preparati in uno stato congiunto che non può essere descritto considerando separatamente ciascun qubit. Questo fenomeno prende il nome di entanglement.
Quando i qubit entangled vengono misurati, i risultati mostrano correlazioni non riconducibili al normale comportamento di sistemi classici indipendenti.
L’entanglement non permette però di trasmettere volontariamente un messaggio più velocemente della luce. Il risultato ottenuto misurando un singolo qubit non può essere controllato e, per confrontare le misurazioni effettuate in punti differenti, rimane necessaria una comunicazione classica.
L’entanglement è una risorsa importante per numerosi algoritmi, per alcune tecniche di correzione degli errori e per le comunicazioni quantistiche. Computazione quantistica, rete quantistica e distribuzione quantistica delle chiavi rimangono tuttavia ambiti distinti, anche quando utilizzano principi fisici comuni.
Il processore quantistico
La parte della macchina nella quale vengono preparati, controllati e misurati i qubit viene normalmente chiamata QPU, Quantum Processing Unit.
Nel modello di calcolo quantistico a porte, l’algoritmo viene rappresentato attraverso un circuito composto da operazioni applicate a uno o più qubit. Queste operazioni sono chiamate porte quantistiche.
Le porte quantistiche possono essere paragonate, in senso generale, alle porte logiche di un circuito classico, ma non sono semplicemente versioni quantistiche delle funzioni AND, OR e NOT. Nel modello matematico ideale rappresentano trasformazioni reversibili dello stato quantistico, mentre alcune operazioni logiche classiche perdono parte dell’informazione contenuta negli ingressi.
Ogni processore dispone di un insieme specifico di operazioni native. Anche la disposizione dei collegamenti varia: non sempre ogni qubit può interagire direttamente con tutti gli altri.
La connettività influisce concretamente sull’esecuzione. Se due qubit che devono interagire non sono collegati direttamente, il software può dover aggiungere ulteriori operazioni per trasferire logicamente l’informazione. Questo aumenta la lunghezza del circuito e, di conseguenza, l’esposizione agli errori.
La compilazione di un circuito per adattarlo alle porte e alla topologia di una specifica QPU viene generalmente chiamata transpilation.
I qubit superconduttivi
I qubit superconduttivi sono realizzati attraverso circuiti elettrici che assumono un comportamento quantistico quando vengono portati a temperature estremamente basse.
In queste architetture la QPU viene collocata all’interno di un criostato a diluizione, capace di raggiungere temperature dell’ordine dei millikelvin, quindi molto vicine allo zero assoluto.
Il raffreddamento riduce le eccitazioni termiche e crea le condizioni necessarie affinché i circuiti superconduttivi possano mantenere il proprio comportamento quantistico per un tempo sufficiente a eseguire le operazioni.
Il processore è collegato all’elettronica esterna attraverso una complessa struttura di cavi coassiali, attenuatori, filtri, amplificatori, isolatori, schermature e differenti stadi termici. I qubit vengono normalmente controllati e letti attraverso segnali a microonde accuratamente calibrati.
Il grande apparato criogenico visibile nelle fotografie più conosciute appartiene a questa famiglia di computer quantistici. Non costituisce però un componente universale di qualsiasi macchina quantistica.
I sistemi a ioni intrappolati
Nei computer a ioni intrappolati, i qubit vengono codificati in alcuni stati interni di atomi ionizzati.
Gli ioni vengono mantenuti in posizione attraverso campi elettromagnetici all’interno di camere ad alto vuoto. La preparazione, il controllo e l’interazione tra i qubit vengono generalmente realizzati mediante impulsi laser, mentre la lettura può avvenire rilevando la fluorescenza emessa dagli ioni.
Questi sistemi non richiedono lo stesso criostato a diluizione impiegato dai qubit superconduttivi, ma dipendono da apparati ottici complessi, sorgenti laser stabili, sistemi di vuoto e controlli estremamente precisi.
Alcune architetture permettono inoltre di spostare fisicamente gli ioni tra differenti zone operative. Altre utilizzano catene di ioni con una connettività molto estesa.
I servizi di calcolo quantistico disponibili attraverso il cloud comprendono già sistemi superconduttivi, a ioni intrappolati e ad atomi neutri, confermando che non esiste un’unica piattaforma hardware.
Atomi neutri e piattaforme fotoniche
I computer quantistici ad atomi neutri utilizzano atomi non ionizzati, mantenuti in posizione attraverso fasci laser spesso descritti come pinzette ottiche.
Gli atomi possono essere disposti in configurazioni differenti e fatti interagire portandoli in particolari stati energetici. Questa tecnologia consente di realizzare matrici di qubit con geometrie riconfigurabili, ma richiede sistemi ottici, controllo laser e condizioni ambientali estremamente precise.
Le piattaforme fotoniche codificano invece l’informazione quantistica in proprietà dei fotoni, come la polarizzazione, il percorso, il tempo di arrivo o il numero di fotoni. Per preparare, manipolare e misurare questi stati vengono utilizzati sorgenti luminose, guide d’onda, interferometri, divisori di fascio e rivelatori di singoli fotoni.
Alcuni rivelatori fotonici possono richiedere il raffreddamento, ma ciò non significa che l’intero processore debba utilizzare la stessa struttura criogenica di una QPU superconduttiva.
Esistono inoltre linee di ricerca basate sullo spin di elettroni o nuclei in materiali semiconduttori e ulteriori approcci ancora in fase di sviluppo.
Il sistema di controllo
Un programma applicativo non controlla direttamente i qubit.
Tra il software e la QPU si trova una catena di controllo classica che traduce le istruzioni del circuito in segnali fisici. A seconda dell’architettura, questi segnali possono essere impulsi a microonde, tensioni elettriche, campi elettromagnetici o impulsi laser.
Ampiezza, frequenza, fase, durata e sincronizzazione dei segnali devono essere regolate con grande precisione. Anche piccole deviazioni possono produrre un’operazione diversa da quella desiderata.
Il sistema di controllo gestisce inoltre le calibrazioni, coordina le sequenze temporali e compensa, entro determinati limiti, alcune imperfezioni dell’hardware.
Una parte rilevante della complessità della macchina si trova quindi nell’elettronica, nell’ottica e nel software che circondano il processore, non soltanto nel chip quantistico.
La lettura dei qubit
Al termine del circuito, o in alcuni punti intermedi, lo stato dei qubit viene misurato.
Nei sistemi superconduttivi la lettura può avvenire osservando la risposta di appositi risonatori a un segnale a microonde. Nei sistemi a ioni intrappolati viene rilevata la luce emessa dagli ioni quando vengono illuminati con un laser. Le altre tecnologie utilizzano meccanismi differenti.
Il segnale fisico è generalmente molto debole e deve essere raccolto, amplificato, digitalizzato e interpretato dall’elettronica classica.
Anche questa fase può introdurre errori. L’errore di lettura deve essere distinto da quello prodotto durante la preparazione dello stato o durante l’esecuzione delle porte.
Poiché il risultato di molti circuiti quantistici è probabilistico, lo stesso circuito viene normalmente eseguito più volte. L’insieme delle misurazioni permette di stimare la distribuzione dei possibili risultati.
Il ruolo indispensabile del calcolo classico
Una QPU non funziona in autonomia e non sostituisce CPU, GPU, memoria e sistemi di archiviazione tradizionali.
Un computer classico prepara il problema, compila il circuito, gestisce l’esecuzione, raccoglie le misurazioni e svolge l’elaborazione successiva.
Negli algoritmi ibridi, il sistema classico calcola nuovi parametri e invia ripetutamente il circuito aggiornato alla QPU. Anche le tecniche di mitigazione e correzione degli errori richiedono una rilevante elaborazione classica.
L’evoluzione del settore si sta quindi orientando verso l’integrazione tra QPU, cloud, sistemi HPC e normali infrastrutture di data center, piuttosto che verso macchine quantistiche completamente separate dal calcolo tradizionale.
Perché i qubit commettono errori
I qubit sono sensibili al rumore ambientale, alle imprecisioni dei segnali, alle interazioni indesiderate e alla perdita di coerenza.
Gli errori possono comparire durante la preparazione, l’esecuzione delle porte, l’attesa, l’interazione tra qubit e la misurazione.
Le macchine attuali utilizzano calibrazioni, ottimizzazione dei circuiti, tecniche di soppressione del rumore e mitigazione degli errori.
La mitigazione degli errori cerca di ridurne o stimarne l’effetto sui risultati, ma non equivale a rendere il sistema tollerante ai guasti. Non crea necessariamente un qubit logico protetto e non garantisce che un circuito possa essere prolungato indefinitamente.
Qubit fisici e qubit logici
Un qubit fisico è il componente quantistico direttamente realizzato nell’hardware.
Un qubit logico è invece un’informazione codificata attraverso più qubit fisici, con l’obiettivo di rilevare e correggere determinati errori.
La correzione quantistica degli errori utilizza qubit ausiliari e misure di sindrome per ottenere informazioni sugli errori senza misurare direttamente il contenuto del qubit logico. Il sistema classico deve poi interpretare queste misure e stabilire quale correzione applicare o come decodificare il risultato.
Il numero di qubit fisici necessario per costruire un qubit logico dipende dal codice adottato, dalla qualità dell’hardware e dal livello di affidabilità richiesto.
Per questo motivo il numero nominale di qubit presenti su un processore non è sufficiente per determinarne la capacità reale.
Un computer quantistico prova tutte le password contemporaneamente?
Questa spiegazione è diffusa, ma è sbagliata.
Un registro quantistico può rappresentare una combinazione di molti stati, ma la misurazione non restituisce l’intero contenuto della sovrapposizione. Un algoritmo deve modificare le ampiezze associate ai diversi stati in modo da rendere più probabile il risultato cercato.
Per una ricerca non strutturata, l’algoritmo di Grover offre teoricamente un vantaggio quadratico. Se le possibilità sono (N), il numero di interrogazioni necessarie cresce nell’ordine di (\sqrt{N}), non si riduce a una sola operazione.
Questo può essere un vantaggio importante, ma non corrisponde a provare e leggere tutte le password contemporaneamente.
L’algoritmo di Shor riguarda invece la fattorizzazione e il calcolo di logaritmi discreti, problemi sui quali si basano alcuni sistemi crittografici a chiave pubblica.
La sua esistenza non significa che i computer quantistici attuali possano violare RSA-2048. La documentazione IBM osserva che un tentativo realistico di fattorizzare un numero da 2048 bit richiederebbe, considerando l’overhead della correzione degli errori, milioni di qubit e una profondità del circuito dell’ordine del miliardo: valori molto lontani dalle capacità dell’hardware attuale.
Può sostituire un server o una workstation?
Un computer quantistico non è progettato per eseguire meglio un sistema operativo, un database, un software gestionale o le normali applicazioni aziendali.
Gli algoritmi quantistici conosciuti riguardano classi particolari di problemi, come alcune simulazioni di sistemi fisici, la fattorizzazione, la ricerca, l’algebra lineare e determinate forme di ottimizzazione.
Anche quando esiste un vantaggio teorico, l’utilità pratica dipende dal numero di operazioni richieste, dalla qualità della QPU, dalla preparazione dei dati, dalla correzione degli errori e dal confronto con i migliori algoritmi classici disponibili.
La macchina quantistica deve quindi essere considerata un acceleratore specializzato inserito in un’infrastruttura più ampia, non un sostituto universale del calcolo tradizionale.
Il computer quantistico è un sistema integrato
Osservando l’architettura completa, la QPU rappresenta soltanto il punto nel quale avviene l’elaborazione quantistica.
Intorno al processore sono necessari l’ambiente fisico adatto alla tecnologia, i sistemi di controllo e lettura, l’elaborazione classica, il software, le reti di gestione e accesso, il monitoraggio, l’alimentazione e le procedure di calibrazione.
La qualità di una macchina non può quindi essere valutata contando soltanto i qubit.
Occorre considerare anche il tasso di errore, la connettività, la profondità dei circuiti eseguibili, la velocità delle operazioni, la stabilità delle calibrazioni, la qualità della lettura e la capacità di integrazione con il calcolo classico.
Conclusione
Un computer quantistico non è un normale computer costruito con componenti più avanzati. È un’infrastruttura nella quale sistemi fisici molto delicati vengono controllati da elettronica, ottica e software classici.
Le diverse tecnologie realizzano i qubit in modi differenti. I sistemi superconduttivi richiedono temperature estremamente basse e controllo a microonde; gli ioni intrappolati dipendono da vuoto e laser; gli atomi neutri vengono organizzati mediante trappole ottiche; le piattaforme fotoniche utilizzano circuiti e rivelatori ottici.
La sovrapposizione non consente di leggere contemporaneamente tutte le possibili risposte e il numero di qubit non determina, da solo, la potenza della macchina.
Il progresso dipenderà dalla capacità di far lavorare insieme qubit più affidabili, correzione degli errori, sistemi di controllo, software e infrastrutture classiche. È questa integrazione, più che un singolo componente, a trasformare un esperimento quantistico in un vero sistema di calcolo.
Fonti e approfondimenti
NIST – Quantum Computing Explained
NIST – Cinque concetti per comprendere la meccanica e le tecnologie quantistiche
Amazon Braket – Tecnologie dei computer quantistici
IBM Quantum – Transpilation dei circuiti
IBM Quantum – Algoritmo di Grover
IBM Quantum – Mitigazione e soppressione degli errori
IBM Quantum – Algoritmo di Shor e limiti dell’hardware attuale
