Google ha creato un nuovo processore quantistico, e afferma che è molto più potente e commette meno errori. Ma ci vorranno anni prima di vederlo in azione. Il tema del Computer quantistico e cybersecurity è al centro di questa rivoluzione tecnologica, aprendo nuove prospettive per la protezione dei dati e la potenza di calcolo.
Il 9 dicembre 2024, Google ha presentato al mondo Willow, il suo nuovo processore quantistico, e ha dichiarato che è in grado di risolvere in 5 minuti operazioni per cui i supercomputer “tradizionali” avrebbero bisogno di miliardi di anni, ovvero di un tempo superiore all’età dell’universo.
Il mondo dei computer quantistici è caratterizzato da una competizione feroce, punteggiata da dichiarazioni altisonanti come quella che abbiamo appena riportato. Google, IBM, Microsoft, IonQ, D-Wave System, Honeywell e Rigetti sono le aziende più attive nella ricerca e produzione di calcolatori quantistici e superconduttori. E ogni tanto una di loro afferma di aver fatto un “enorme passo in avanti” o un “salto di categoria”.
Ma quanto c’è di vero in queste dichiarazioni? Cos’ha di speciale Willow, il nuovo chip di Google? E a che punto siamo con i computer quantistici? In questo post rispondiamo a queste domande e facciamo chiarezza sulla situazione attuale di questo affascinante campo dell’informatica. Buona lettura!
“Willow ha eseguito un calcolo in meno di cinque minuti che avrebbe richiesto a uno dei supercomputer più veloci di oggi 10^25, ovvero 10 settilioni di anni.” Hartmut Neven, responsabile del Quantum AI Lab di Google
A cosa serve un computer quantistico?
I computer quantistici nascono dall’esplorazione di principi straordinari della meccanica quantistica, che sfidano la nostra comprensione intuitiva del mondo fisico. Per capirli, dobbiamo immergerci in 2 concetti fondamentali:
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Sovrapposizione degli stati
Immagina di avere una moneta magica che, invece di cadere solo su testa o croce, possa esistere simultaneamente in entrambi gli stati fino a quando qualcuno non la guarda. Questo è esattamente ciò che accade nel mondo quantistico: le particelle non hanno uno stato definito finché non vengono osservate. L’esperimento mentale del gatto di Schrödinger illustra mirabilmente questo concetto. Teorizzato dal fisico Erwin Schrödinger nel 1935, questo esperimento ipotizza un gatto chiuso in una scatola con un meccanismo che potrebbe rilasciare del veleno in modo casuale. Secondo la meccanica quantistica, finché nessuno apre la scatola, il gatto è contemporaneamente vivo e morto – un concetto che sovverte completamente la nostra logica binaria.
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Entanglement
Questo principio è ancora più sorprendente. Rappresenta un legame invisibile tra particelle che mantengono una connessione istantanea, indipendentemente dalla distanza che le separa. È come se due gemelli potessero comunicare istantaneamente i loro pensieri, anche se si trovassero ai lati opposti dell’universo. Vediamo un esempio concreto: prendiamo due elettroni inizialmente legati. Se separiamo questi elettroni e li portiamo a migliaia di chilometri di distanza, modificando lo spin (il senso di rotazione) di uno, l’altro cambierà immediatamente il proprio spin, come se fossero ancora connessi da un legame misterioso e istantaneo.
Questi principi rivoluzionari aprono nuove strade per l’elaborazione delle informazioni. Mentre i computer tradizionali utilizzano bit che possono essere solo 0 o 1, i computer quantistici usano i qubit: unità che possono essere contemporaneamente 0 e 1. Questa capacità permette loro di eseguire calcoli enormemente più complessi rispetto ai computer classici.
La vera magia della meccanica quantistica risiede proprio in questa capacità di sfidare le nostre percezioni più radicate: nel mondo subatomico, l’impossibile diventa possibile, e l’incerto diventa un territorio fertile per l’innovazione tecnologica.
Cos’è Willow di Google?
Willow è il nuovo processore quantistico di 105 qubit presentato da Google a fine dicembre del 2024. Questo microprocessore, secondo i suoi sviluppatori, è in grado di svolgere operazioni matematiche talmente complesse, che un supercomputer tradizionale ci metterebbe miliardi di anni a risolverle.
In concreto, con le parole di Hartmut Neven, responsabile del Quantum AI Lab di Google: “Willow ha eseguito un calcolo in meno di cinque minuti che avrebbe richiesto a uno dei supercomputer più veloci di oggi 10^25, ovvero 10 settilioni di anni. Questo numero incredibile supera le scale temporali conosciute in fisica e supera di gran lunga l’età dell’Universo. Ciò dà credito all’idea che la computazione quantistica avvenga in molti universi paralleli, in linea con l’idea che viviamo in un multiverso, una previsione fatta per la prima volta da David Deutsch”.
Inoltre, Google ha dichiarato che Willow rappresenta anche un grande passo in avanti nella riduzione degli errori, uno dei problemi principali dei computer quantistici.
Di fatto, il limite più grosso alla sperimentazione e al progresso in questo campo è dovuto alle condizioni in cui è possibile far funzionare una macchina quantistica: temperature prossime allo zero assoluto, vuoto, ambiente ipercontrollato e tempi di operatività prossimi ai millisecondi prima che lo stato delle particelle decada.
Queste variabili fanno sì che i fenomeni quantistici siano soggetti a quello viene chiamato rumore quantistico (quantum noise) e, di conseguenza, un’alta variabilità, per cui è necessario ripetere molte volte le operazioni per ottenere risultati statisticamente rilevanti.
Quando arriveranno i computer quantistici?
Gli annunci delle Big Tech vanno sempre presi con le pinze; innanzitutto perché peccano sempre di un certo sensazionalismo, e poi perché sono poco contestualizzati. Vediamo allora di ridimensionare le dichiarazioni recenti riguardo a Willow:
- Tanto per cominciare, Willow è ancora una macchina sperimentale e, come tutti i computer quantistici, non è ancora neanche pensabile un’applicazione pratica di questi calcolatori.
- I primi chip per il mercato sono attesi per la fine di questo decennio, e anche questa previsione è molto ottimistica, considerando i costi proibitivi che potrebbero avere queste macchine, se anche dovessero funzionare.
- Occhio alle comparazioni: i test e i relativi risultati vengono sempre scelti per esaltare le prestazioni dei computer quantistici dei vari produttori e tendono a essere presentati come estremamente superiori a quelli dei concorrenti.
Nel campo del quantum computing è meglio essere cauti e aggiungere dieci anni e un paio di zeri a tutte le stime che vengono pubblicate.
Un algoritmo quantistico sarebbe in grado di risolvere un’operazione di crittografia tradizionale in una manciata di secondi!
Computer quantistici e sicurezza informatica
Hartmut Neven è convinto che i computer quantistici ridefiniranno completamente l’informatica e il concetto stesso di computer. In particolare, pensa che i settori che ne gioveranno per primi saranno la ricerca biomedica e il calcolo matematico. Ma c’è un altro campo che ci interessa particolarmente e che potrebbe essere rivoluzionato dai computer quantistici: la sicurezza informatica.
Gran parte dei sistemi di cybersecurity di oggi si basano sulla capacità di saper riconoscere le minacce in base a calcoli probabilistici e algoritmi, da un lato, e proteggere dati e reti con la crittografia, dall’altro.
I calcolatori quantistici potrebbero mettere in crisi entrambi questi aspetti: i malware potrebbero utilizzare un codice molto più avanzato e in grado di adattarsi in tempo reale, ma soprattutto un algoritmo quantistico sarebbe in grado di risolvere un’operazione di crittografia tramite la sola forza bruta (cioè provando tutte le opzioni possibili) in una manciata di secondi!
Sfide della Sicurezza Informatica nell’Era dei Computer Quantistici
Per questo, c’è chi sta già studiando nuove soluzioni, come la sicurezza quantum proof (sicurezza “a prova di computer quantistico):
- Usano problemi matematici complessi anche per i computer quantistici, come la crittografia basata sui reticoli, codici correttivi e crittografia multivariata.
- Vengono sottoposti a test intensivi e di lunghissima durata, simulando scenari di attacco cyber anche con computer con la potenza di calcolo di una macchina quantistica.
- Alcuni di questi strumenti utilizzano già problemi matematici che non sono risolvibili dai migliori algoritmi quantistici finora sviluppati, come quelli di Shor e Grover.
A tutto questo dobbiamo aggiungere che alcune Big Tech stanno già sviluppando sistemi di crittografia basati sulle peculiarità e sulla potenza dei computer quantistici. Che dovrebbero ripristinare l’equilibrio in un ipotetico futuro dove gli hacker avranno accesso ai calcolatori quantici.
Uno di questi strumenti e la Distribuzione Quantistica delle Chiavi (QKD) (Quantum Key Distribution). Questa tecnologia utilizza i principi della meccanica quantistica per scambiare chiavi crittografiche in modo sicuro tra due parti. Grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg, qualsiasi tentativo di intercettare, osservare o misurare una comunicazione basata su proprietà quantistiche altererebbe lo stato del fenomeno, rendendolo impossibile da ricostruire.
Inoltre, questo principio ha anche il vantaggio di rilevare immediatamente qualsiasi tentativo di intercettazione. Perché la presenza di errori indica appunto che qualcuno ha cercato di osservare il flusso di comunicazione.
Verso un Futuro Quantistico
Insomma, il settore della cybersecurity si sta già preparando ai computer quantistici. Sia per sfruttarne la potenza sia per difendersi da questa enorme capacità di calcolo.
In questo post abbiamo visto cos’è Willow, il nuovo processore quantistico di Google che, nonostante le roboanti dichiarazioni del suo creatore, sembra ancora lontano anni luce (è il caso di dirlo) da un’applicazione pratica e commerciale.
Per ora, Willow rappresenta un importante passo in avanti e un segnale che l’informatica quantistica non è ferma, ma avanza a passo spedito verso un futuro in cui queste macchine ci aiuteranno a risolvere problemi particolarmente complessi, come quelli legati al cambiamento climatico, alla sperimentazione biomedica e alla sicurezza.
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Buona navigazione e buona informazione sui computer quantistici!