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lunedì, 5 Dicembre 2022

Comunicazione quantistica, come funziona? Parliamo di futuro con Angelo Bassi

03.10.2020 – 14.25 – Come funziona un computer quantistico? Dell’esistenza della teoria dei quanti, più o meno tutti sanno: spiega come sia possibile, nell’universo (e quindi anche nella realtà di ogni giorno e di casa nostra: il vecchio televisore a tubo catodico ne era un esempio) che quantità di energia non vengano scambiate in modo continuo ma attraverso veri e propri pacchetti, definiti da valori specifici e precisi. A Max Planck, fisico tedesco che sul finire dell’Ottocento di questi studi fu il padre, venne consigliato, quand’era ancora ragazzo, di non studiare fisica, perché quasi tutto era già stato scoperto; non fu proprio così, e si arrivò poi a capire che la luce è fatta un po’ di elettromagnetismo e un po’ di corpuscoli, e che il quanto della radiazione elettromagnetica era il fotone, indivisibile particella in grado di bombardare il nucleo di un atomo e disintegrarlo. La prima metà del Novecento, il periodo in cui la fisica fece, grazie agli studi di Planck e dei suoi contemporanei, enormi balzi in avanti, è lontana da noi ormai cent’anni; gli studi e il progresso non si sono mai fermati, hanno raggiunto e superato anzi nuovi traguardi, e una delle soglie che stanno per essere attraversate, dietro alle quali sta un mondo nuovo, è proprio quella del calcolo attraverso computer quantistici, e su questa soglia Trieste è affacciata, pronta per contribuire al passo in avanti che trasformerà di nuovo il nostro modo di vivere.

I computer quantistici svolgono operazioni di calcolo basandosi sulla probabilità di un certo oggetto di essere in uno stato o nell’altro prima che intervenga la misurazione che determinerà quello stato: è il paradosso del gatto, contemporaneamente vivo e morto o meglio né vivo né morto (uno dei paradossi più famosi attraverso i quali la fisica quantistica viene spiegata e che evidenzia i suoi limiti), applicato però all’elaborazione di dati: il calcolatore quantistico, o quantico, calcola non solo basandosi sullo stato di acceso o spento di uno dei suoi interruttori interni (i famosi ‘zero’ e ‘uno’: i bit) ma sulla probabilità che uno di questi stati si verifichi, correlandole matematicamente a quelle di altri oggetti e facendo in modo che sia possibile dare una definizione precisa, per questi interruttori, anche a uno stato di ‘acceso’ o ‘spento’ che ancora non conosciamo: un po’ come riuscire a definire con precisione la posizione di una moneta roteante lanciata in aria prima ancora che ci arrivi in mano: queste ‘superposizioni’ si chiamano qubit anziché bit. Il tutto diventa un calcolo complesso: una combinazione lineare (così si chiama) che parla di ‘stati di libertà’ e si può rappresentare con una sfera; e per lasciare tutto questi agli appassionati di matematica, e tornare al nostro piccolo sistema di riferimento, possiamo dire che lavorando con i qubit si possono fare calcoli in maniera estremamente più veloce. Ne parliamo con il professor Angelo Bassi, scienziato di riferimento a livello internazionale proprio in questo campo, che ha ricevuto, nel giugno di quest’anno, fra gli altri il plauso del New York Times.

Professore, come si costruisce un computer quantistico? Lavorando con la luce, come nella fibra ottica?

“Chi progetta e costruisce un computer quantistico cerca di realizzare una versione del computer classico che però faccia passare fra i suoi elementi una corrente quantistica. Usare la luce è uno dei modi possibili per far comunicare fra loro gli elementi, ma non il migliore. Un computer classico si realizza costruendo e miniaturizzando una serie di interruttori collegati da ‘cavi’, di dimensioni via via più ridotte, fino ad arrivare alle molecole: fra questi interruttori passa una corrente elettrica: ed è fisica classica. Nel computer quantistico abbiamo invece componenti che vengono raffreddati a temperatura molto bassa; la materia di cui sono composti inizia a comportarsi in maniera, appunto, quantistica. E in quel momento si creano essenzialmente dei flussi che non sono delle correnti elettriche classiche: non esistono solamente come situazione di ‘passa la corrente-non passa la corrente’ ma che sono allo stesso tempo un ‘flusso che passa e non passa’.”

Esistono già computer quantistici veri e propri?

“Una notizia di qualche giorno fa, che ha fatto molto clamore, è la pubblicazione da parte di IBM di un documento che descrive il percorso previsto, la roadmap, per i suoi computer quantistici. Fino a qualche anno fa l’obiettivo era avere a disposizione un computer quantistico con 10 o 12 qubit; rappresentano solo la base, non si tratta neppure di un vero e proprio computer. Oggi si lotta per raggiungere i 100 o 200 qubit di capacità d’elaborazione. IBM prevede invece un computer con 1000 qubit entro il 2023; un numero che sembrava irraggiungibile. Oggi IBM lo promette, e non si tratta di un’azienda appena affacciatasi sul mercato. Da 1000 qubit, si arriverà poi al milione”.

Cos’è il calcolo quantistico?

“Per certi versi, la risposta è banale: è un calcolo che si basa sulle leggi della fisica quantistica anziché su quelle della fisica classica. Si può pensare a ciò che diceva Richard Feynman, uno dei suoi padri, negli anni Ottanta: quando si parla di computazione si pensa al modello circuitale e ai bit, zero e uno, e alle porte logiche che cambiano il valore dei bit. Feynman in ultima analisi diceva che tutto questo è bello, ma che il computer è poi un’oggetto fisico realizzato in base alle leggi della fisica classica; se invece noi progettiamo un calcolatore che funzioni in base alle leggi della fisica quantistica, avremo un nuovo strumento di calcolo. La computazione quantistica sostituisce i bit classici con i bit quantistici, che non valgono solo zero o uno ma possono rappresentare la sovrapposizione di diversi valori: possono essere contemporaneamente in più di uno stato. Potrebbe sembrare solo una stranezza matematica ma in realtà si tratta di qualcosa che si può realizzare fisicamente”.

Quanti stati può avere un qubit di un computer quantistico?

“Infiniti”.

E questo si traduce nella capacità di un calcolatore di fare macro-operazioni, di ‘maneggiare’ quantità di dati più grandi nella stessa unità di tempo?

“Essenzialmente vuol dire poter arrivare più velocemente alla risoluzione di un problema”.

Ad esempio?

“Pensiamo a un algoritmo di ricerca di un dato in una base di dati – un database – organizzata in maniera casuale, nella quale devo identificare un elemento tra tutti gli altri. Se devo cercare un singolo elemento tra un numero di elementi – ‘n’ elementi, quindi – tipicamente dovrei fare ‘n’ operazioni: a meno che io non abbia fortuna e non ci provi attraverso un calcolo probabilistico, devo continuare a cercare fra tutti i dati fin che non trovo proprio quello che sto cercando. Nel caso quantistico, posso cercare questo elemento con la radice di ‘n’ operazioni; in qualche modo, codificando il database in un registro quantistico e utilizzando la sovrapposizione di stati che il qubit permette – e qui dovrei spiegare tutta la teoria – arrivo alla soluzione del problema più velocemente e trovo il dato che volevo”.

Insomma sono su Google, faccio una ricerca via browser Internet su un’enorme quantità di dati che sono stati raccolti senza nessun criterio, e ho una risposta in un tempo molto più rapido di oggi.

“Esattamente. Oppure, posso utilizzare un altro esempio ancora più famoso, da manuale: la fattorizzazione dei polinomi. Tipicamente, nella sicurezza informatica, giocano un ruolo importante i numeri che sono il prodotto di un numero primo, come 15 che è 5 volte 3. Fattorizzare un numero, ad esempio proprio 15, è un problema classicamente difficile, anche per un computer: lo sforzo necessario cresce esponenzialmente con la dimensione del numero, più grande è più difficile è la fattorizzazione. Non si riesce a trovare, e si sta supponendo che non esista – anche se non c’è la prova matematica di questo – un algoritmo classico che sappia fattorizzare i numeri in maniera efficiente, soprattutto quelli elevati. E proprio su questo principio si basa tutta la crittografia, o almeno gran parte della crittografia classica”.

Ci vorrebbe troppo tempo per rompere la chiave di protezione.

“Esatto. Ci vorrebbe troppo tempo per fattorizzare; se non si riesce a fattorizzare, non si può infrangere il sistema di codifica, non si può crackare la chiave. Nel 1994, Peter Shor ha dimostrato che lo stesso algoritmo, rivisto in chiave quantistica, diventa facile: cresce polinominalmente e non più esponenzialmente”.

Questo cosa comporta?

“Mette a rischio tutti i sistemi di crittografia di sicurezza attuali. E infatti i servizi segreti, come l’NSA statunitense, sono molto preoccupati. E i governi stanno tenendo il calcolo quantistico in grande considerazione: si ipotizza che la Cina abbia investito una cifra che supera l’equivalente di un miliardo di euro. L’Unione Europea ha in programma di creare una rete di crittografia quantistica sul continente europeo stesso”.

Potenzialmente, non ci sarebbe più sicurezza informatica.

“Per un breve periodo. Così come il computer quantistico è in grado di rompere una delle chiavi di sicurezza di oggi con potenziale facilità, può crearne di altre molto più sicure. E arriviamo all’altra faccia del calcolo quantistico: il computer quantistico è una delle applicazioni, poi arriviamo alla comunicazione quantistica”.

Di cosa si tratta, professore?

“È un’altra tecnologia importante, che ci restituisce quello che il computer quantistico toglie. Con la comunicazione quantistica si possono creare delle chiavi di protezione che sono intrinsecamente sicure: in base alle leggi della fisica quantistica, queste chiavi non possono essere crackate – e non nel senso che non possono essere violate, ma nel senso che se qualcuno dovesse cercare di violare una chiave ci si accorge di quello che sta succedendo. E quindi si possono prendere immediatamente delle contromisure”.

E si arriverebbe alla sicurezza informatica.

“Sulla distribuzione delle chiavi di protezione, si. Si arriverebbe alla sicurezza completa”.

E aggiungendoci un sistema basato sulla blockchain, ad esempio un sistema di transazioni finanziarie o un sistema di voto elettronico, con la comunicazione quantistica avremmo una protezione totale?

“Chiaramente la sicurezza informatica è un settore di ricerca complesso che comprende molti elementi. Un esempio: posso avere delle chiavi di protezione sicure e un sistema perfetto per generarle, ma risentire di un processo di autenticazione imperfetto – ovvero, ad esempio per un pagamento, posso credere di parlare con lei, e quindi sto distribuendo a lei la mia chiave di protezione, e in realtà però ‘lei’ non è ‘lei’, ma è un’altra persona che in qualche modo ha rubato la sua identità. E se succede questo, anche la chiave di protezione che le fornisco viene rubata. Quindi non mi bastano la tecnologia quantistica e la blockchain per arrivare a una protezione assoluta; certamente però la tecnologia e la comunicazione quantistica garantiscono un livello di sicurezza molto più elevato rispetto a oggi”.

E se una nazione diventasse proprietaria di una tecnologia di comunicazione quantistica non posseduta da altre nazioni, potrebbe essere in grado di minacciare tutti i sistemi classici, i ‘vecchi computer’.

“C’è molta consapevolezza dell’importanza di fare passi avanti veloci. Parliamo di reti di crittografia e di comunicazione quantistica in fibra ottica e via satellite. E così come l’Europa, anche gli Stati Uniti”.

Un cambio di paradigma.

“Un cambio di paradigma, e un cambio di tecnologia. Lo è stato, rispetto alle tecniche di calcolo precedenti e fino agli anni Cinquanta, il computer classico; e poi con il computer è cambiato il mondo. Poi Internet negli anni Novanta. Il computer quantistico promette di cambiarlo di nuovo, e di attuare una rivoluzione simile”.

Che cosa si sta facendo a Trieste?

“Trieste ha già da decenni una rinomata scuola di fisica quantistica, che include ricercatori dell’Università di Trieste come me, della Sissa e dell’ICTP. Credo che si possa dire che a Trieste ci sia una delle maggiori concentrazioni di fisici quantistici in Italia”.

Un ‘think tank’ sull’Adriatico.

“Credo di sì, credo che una concentrazione di cervelli impegnati sulla fisica simile a quella di Trieste sia difficile trovarla in altre parti d’Italia. E Trieste ha saputo dimostrare negli anni di saper creare sinergie e riuscire a realizzare grandi progetti collaborativi: sto pensando a Elettra Sincrotrone, all’ICGEB. È merito della forte collaborazione nel territorio tra istituzioni scientifiche, politica, economia e la città stessa. Nel campo del calcolo e della tecnologia quantistica si sta ripetendo al momento, e spero si porti a compimento, quello che è già successo in passato”.

C’è già qualcosa di concreto, o parliamo di futuro?

“Uno dei primi elementi già visibili è il sostegno delle Regione Friuli Venezia Giulia, che ha approvato e finanziato il progetto Quantum FVG di comunicazione quantistica: partirà nel 2021, verrà realizzato a Trieste e poi esteso a tutta la regione. Questo progetto creerà le premesse per poter distribuire chiavi quantistiche”.

Cosa serve per fare questo?

“Un canale di comunicazione. Un satellite, ad esempio, oppure fibra ottica. E la strumentazione che permette la creazione delle chiavi quantistiche vere e proprie. Trieste ha già un’ottima infrastruttura in fibra ottica, denominata Lightnet: un consorzio guidato dall’Università di Trieste che rappresenta una situazione unica in Italia. È una rete parallela ad altre che serve alle istituzioni per comunicare tra di loro e per fare ricerca. Su questa rete in fibra ottica sperimenteremo la comunicazione e la crittografia quantistica: come è stato fatto a ESOF 2020, con la dimostrazione fatta assieme al premier Conte. Abbiamo usato un tratto della rete in fibra ottica di Lightnet per creare un canale sicuro tra l’Università di Trieste e il Porto Vecchio: con il gruppo di Alessandro Zavatta presso il CNR, che ha supportato la parte quantistica, su questo canale il rettore Roberto Di Lenarda e il premier Giuseppe Conte hanno parlato in videochiamata. Sarà però difficile fare comunicazione quantistica su fibra ottica dedicata e usata solo per questo: vorrebbe dire duplicare l’infrastruttura in fibra ottica esistente. Una delle prossime frontiere è quindi utilizzare fibra ottica già in uso per altri scopi: sulla stessa fibra quindi si farà comunicazione classica e comunicazione quantistica allo stesso tempo. Per poter fare questo è necessario accedere a fibre ottiche con proprietà particolari, ed ecco nuovamente che Trieste ne ha già a sua disposizione”.

E il calcolo vero e proprio, i supercomputer?

“All’ICTP ci sono scienziati che hanno esperienza in computazione quantistica; è quello che ad esempio insegno nel corso di laurea magistrale all’Università di Trieste, in collaborazione con IBM ed Intel. Cerchiamo quindi di andare già oltre la ricerca, di operare con le aziende sia in Italia che a livello internazionale; ed è anche per questo che il Ministro per lo Sviluppo economico, Stefano Patuanelli, si è dichiarato favorevole all’apertura di un istituto di tecnologia quantistica proprio qui a Trieste, un’idea sostenuta dal premier Conte stesso. Ora si lavora in questa direzione”.

Fra gli studenti c’è riscontro, entusiasmo?

“Io lo vedo ogni giorno. E oltre agli studenti, che si sono avvicinati subito con molto interesse ai corsi, ci sono giovani che hanno già una formazione e competenze specifiche nel campo e che purtroppo stanno lavorando all’estero perché in Italia non ci sono ancora le condizioni per farlo e non c’è offerta. Questi giovani, a Trieste, potrebbero avviare delle linee di ricerca estremamente solide e competitive. È fondamentale creare le condizioni per poterli richiamare e offrir loro lavoro, creare un contesto in cui possano realizzare i loro progetti scientifici. Soprattutto perché credo che l’Italia sia già in una buona posizione per poterlo fare: però bisogna fare ancora meglio, bene non basta. Sicuramente bisogna investire di più”.

Punzecchiamo un po’ il governo?

“No. Sono abituato per mia formazione, prima di criticare il governo, a fare autocritica. I governi, finora, indubbiamente in ricerca hanno investito poco; quello che manca però alla comunità scientifica è l’ambizione e l’avere una visione strategica. E la capacità di collaborare per realizzare questa visione. Dare soldi, se non c’è un progetto chiaro, è inutile. Se i progetti sono chiari, se si collabora, si creano le premesse per poter attrarre investimenti; se lo scienziato non ha idee, la politica non dà soldi. A Trieste ci sono state la visione strategica concreta e la volontà politica di realizzarla, e questo deve verificarsi anche a livello nazionale”.

Il computer quantistico aiuterà nella ricerca di una cura per il Covid-19?

“È difficile che faccia in tempo, quando sarà veramente pronto il Covid sarà già alle spalle. In generale però la risposta è sì, i computer quantistici saranno in grado di aiutare la medicina su due fronti: per primo quello della biochimica, nello lo studio e la sperimentazione di nuovi farmaci e materiali attraverso la simulazione delle loro proprietà; una molecola in ultima analisi è un sistema quantistico, e il computer quantistico è lo strumento naturale per studiarle. E per un medico, e questo è il secondo fronte, poter analizzare nuovi dati e arrivare alla medicina personalizzata, studiata per il paziente specifico, è una frontiera importante. E anche una persona è un sistema complesso: poter avere algoritmi veloci permetterà di ottimizzare anche le risposte di carattere medico”.

E l’intelligenza artificiale? Beneficerà della capacità del computer quantistico di elaborare velocemente enormi quantità di informazioni?

“Affinché l’intelligenza artificiale abbia almeno una parvenza d’intelligenza vera, la velocità gioca un ruolo fondamentale. Manipolare informazioni è un problema, anche se la quantità è grande, ma se c’è tempo alla soluzione si arriva; la difficoltà è manipolare quella stessa quantità di dati in un tempo sufficientemente breve per poter reagire e rispondere in maniera adeguata all’esigenza che si presenta, ed è quello che fa il nostro cervello”.

Un computer quantistico penserà? Le chiedo solo un’opinione, naturalmente.

“Se si riesce a realizzare questo, e se il computer quantistico riesce a dare delle risposte veloci a situazioni molto complicate, credo possa comportarsi come una vera intelligenza. Non necessariamente uguale a un’intelligenza umana, ma molto simile”.

La ringrazio, professore.

E se, ma solo per ora, la tecnologia classica dei calcolatori è ancora in grado di gestire qualsiasi compito venga assegnato a un computer quantistico (e non tutti – anche fra gli esperti del settore – credono che lo sforzo e il gioco per sviluppare nuove tecnologie valgano la candela) società come appunto IBM e Google realizzano sistemi capaci di aggregare e processare in modo accurato sempre più qubit, ci credono fermamente e sono convinte che quel passo oltre la soglia di un mondo nuovo sia molto vicino. Perché non crederci anche a Trieste? E il momento giusto è adesso.

[r.s.]

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Roberto Srelz
Roberto Srelzhttps://trieste.news
Giornalista iscritto all'Ordine del Friuli Venezia Giulia

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