Pubblicato: 3 Maggio 2021  -  Ultimo aggiornamento: 30 Aprile 2021

Quantum Computing: storia, sviluppo e applicazioni

Quantum Computing: storia, sviluppo e applicazioni

Il Quantum Computing è una tecnologia innovativa che presto rivoluzionerà non solo il mondo IT, ma anche tantissimi settori molto diversi tra loro.

Cambierà totalmente il modo di concepire i computer e si potranno raggiungere dei risultati prima inimmaginabili.

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Cos’è il Quantum Computing

Il Quantum Computing si basa su dei particolari processori, chiamati Quantum Computer, che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica.

È una tecnologia in continua evoluzione che si trasforma velocemente e servirà in futuro per avere soluzioni di elaborazione più rapide a problemi ad oggi irrisolvibili o che solo i supercomputer possono risolvere.
Permette di archiviare e manipolare enormi quantità di dati usando meno energia di un computer tradizionale e può elaborare informazioni con un approccio completamente nuovo.

L’unità fondamentale di questi calcolatori è il bit quantistico – o qubit – che, a differenza del sistema binario del computing classico, può essere 0 e 1 contemporaneamente.
Gli stati quantistici, infatti, si sovrappongono, i calcoli vengono eseguiti parallelamente e si moltiplica notevolmente la velocità e potenza di calcolo, anche per calcoli particolarmente complessi. I tempi di elaborazione si riducono e operazioni che prima richiedevano anni, ora possono essere eseguite in pochi minuti.

In più i qubit godono di altre proprietà derivanti dalle leggi della fisica quantistica, come l’entanglement: la correlazione tra un qubit ed un altro da cui scaturisce una forte accelerazione nel processo di calcolo.

Le origini del Quantum Computing

Il Quantum Computing è una tecnologia che si sta sviluppando da tanti anni, a partire dalle prime ricerche fatte negli anni ‘30.

È al 1935, infatti, che risalgono i primi studi sul calcolo quantistico, grazie a un progetto di collaborazione a cui partecipò anche Albert Einstein.
L’idea di un computer quantistico, però, nasce nel 1980, quando i fisici Paul Benioff e Yuri Manin ne parlano in delle pubblicazioni indipendenti.

Dopo anni di sperimentazioni e teorie la svolta arriva nel 2001, quando la IBM dimostra il primo calcolo di un algoritmo quantistico grazie a un esperimento che coinvolgeva impulsi elettromagnetici e molecole a sette atomi.
In questo modo viene creato un elaboratore quantistico a 7 qubit, ma per poterlo sfruttare in modo pratico c’è bisogno di trovare dei metodi alternativi.

Le innovazioni continuano e nel 2012 l’azienda canadese D-Wave presenta il primo computer quantistico commerciale. La NASA – insieme a Google – e la Lockheed Martin lo acquistano con fini di ricerca e nel 2013 lanciano il D-Wave Two, sviluppato grazie al Quantum Artificial Intelligence Lab, il centro di ricerca sullo sviluppo quantistico di proprietà di Google.

A fare concorrenza c’è ancora IBM, che nel 2019 lancia il primo computer quantistico commerciale e utilizzabile anche da remoto.

Le sfide del Quantum Computing

La prima sfida che il Quantum Computing deve affrontare riguarda la qualità dei qubit, molto difficile da mantenere. I qubit, infatti, sono potenti ma delicati e perdono in un attimole loro proprietà quantiche se si presentano fattori come vibrazioni o fluttuazioni della temperatura.

Vista la facilità con cui cambiano stato, le particelle sono quindi molto volatili e possono causare la perdita di dati e informazioni utili al processo di calcolo.

In più servono temperature molto basse, vicino allo zero assoluto (circa -273° C), per far sì che la tecnologia quantistica funzioni in modo ottimale.
Per ottenere queste temperature uno dei metodi più comuni è sfruttare i gas liquefatti (come l’isotopo elio-3), ma è un sistema molto costoso. Ci sono però vari team di ricerca che stanno sviluppando dei metodi di raffreddamento alternativi e particolarmente adatti all’elettronica quantistica.

Il Qubit è la base del calcolo quantistico e può essere rappresentato da uno 0, da un 1 o da entrambi contemporaneamente formando una sovrapposizione.

Le principali applicazioni del Quantum Computing

Appena il Quantum Computing sarà una tecnologia completamente sviluppata e accessibile a tutti, gli ambiti in cui sfruttarlo sono tantissimi.
Da un punto di visto commerciale le principali applicazioni saranno nel settore informatico, nella Cyber Security, nella logistica, nei trasporti e nei servizi finanziari.

Approfondiamoli nel dettaglio.

Gli usi nel mondo IT

Parlando di mondo IT nel suo insieme, le trasformazioni che avverranno con il Quantum Computing, sono:

  • Settore informatico: in questo ambito il calcolo quantistico può essere applicato per la rilevazione di anomalie statistiche, per la verifica e validazione dei software, per l’addestramento delle reti neurali e la classificazione di dati non strutturati. Si prevede che il mercato del Quantum Computing possa arrivare a raddoppiare entro il 2025, raggiungendo un giro d’affari di 10 miliardi di dollari l’anno.
  • Cyber Security: il Quantum Computing permette di riprogettare i sistemi difensivi delle comunicazioni, delle transazioni e di qualunque tipo di trasferimento di dati. I computer quantici potrebbero infatti superare tutte le barriere della tradizionale crittografia ed è per questo che c’è già grosso impegno per sviluppare una nuova crittografia quantistica. Una crittografia più sofisticata basata sulla distribuzione di chiavi quantiche, algoritmi a sicurezza quantistica e generatori di numeri casuali quantici.

Altri settori e servizi

Uscendo dal settore prettamente informatico, troviamo:

  • Servizi finanziari: il Quantum Computing può essere sfruttato per rilevare l’instabilità dei mercati, per sviluppare strategie di trading, per eseguire simulazioni di mercato, per ottimizzare i portafogli e per fare previsioni finanziarie.
  • Supply Chain e trasporti: con i computer quantici sarà più facile ottimizzare la rete di ricarica elettrica, gestire il traffico e monitorare i veicoli a guida autonoma. Honda e Daimler hanno già annunciato di voler acquisire computer quantici, dando un impulso agli investimenti delle società impegnate in questo campo di ricerca, tra cui anche alcune società aerospaziali. Volkswagen ha invece stretto degli accordi con Google per sviluppare dei programmi di gestione del traffico urbano.

Cosa aspettarsi dal futuro?

I prototipi di computer quantici sono già tantissimi e si prevede che entro quattro o cinque anni saranno finalmente pratici e davvero funzionanti, disponibili in gran quantità.

Le attività che potranno affidarsi a questa tecnologia saranno quindi numerose, soprattutto se si considera il numero crescente di aziende e centri di ricerca che stanno investendo sullo sviluppo in questo settore.

Aziende come Google e Intel hanno infatti messo in campo importanti finanziamenti, spendendo centinaia di milioni e creando centri appositi e specializzati.
Il Quantum Artificial Intelligence Lab di Google in California, per esempio, è focalizzato sullo sviluppo di semiconduttori e algoritmi che favoriscono il calcolo quantistico, dedicandosi anche allo sviluppo dell’Intelligenza Artificiale.

In Europa, invece, c’è il Quantum Flagship Initiative, un progetto della durata di dieci anni partito nel 2018 che conta su un finanziamento di un miliardo di euro.

Progetti e strutture importanti che, ottenendo i risultati sperati, potrebbero rivoluzionare non solo l’informatica, ma il mondo intero, coinvolgendo praticamente ogni tipo di settore.

Il Quantum Computing in Europa

In Europa è stato finanziato il progetto pilota OpenQkdOpen European Quantum Key Distribution Testbed – che prevede l’installazione di un’infrastruttura di test per le comunicazioni quantistiche nei paesi europei.

Il progetto è sostenuto da un investimento di 15 milioni di euro della Commissione europea e durerà fino al 1 settembre 2022 coinvolgendo 13 paesi.
L’obiettivo è potenziare la sicurezza dello scambio di informazioni nei settori più critici, come telecomunicazioni, sanità e servizi pubblici.

Un’altra iniziativa importante è la decisione dell’Europa di dotarsi di una rete innovativa – chiamata EuroQCI per le comunicazioni quantistiche, che combina l’uso di satelliti dedicati con quello di fibre ottiche commerciali.

L’Europa si sta quindi attivando con determinazione, imponendosi a livello mondiale e riuscendo a tener testa ai colossi americani e asiatici.

Secondo le linee guida presentate dalla Commissione europea per il 2019-2024, infatti, al primo posto ci sono proprio le strategie digitali, con un focus su Quantum Computing, 5G e Intelligenza Artificiale.
Ciò su cui vuole puntare è soprattutto un sviluppo sostenibile che tenga sempre conto dell’etica, della privacy e della sicurezza, definendo nuovi standard da seguire anche in futuro.

Anche l’Italia ha un ruolo decisivo

Anche l’Italia ha un ruolo attivo nello sviluppo del Quantum Computing, grazie al progetto QuantumFuture del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione dell’Università di Padova: un polo all’avanguardia e internazionale nella ricerca sulle tecnologie quantistiche.

L’Italia, inoltre, è presente anche nella Quantum Flagship Initiative della Commissione europea ed è a Firenze che è stato eseguito il primo test nazionale di un sistema di crittografia quantistica, il primo passo per la realizzazione di una rete italiana di comunicazione quantistica.
Garantendo sicurezza dei dati, privacy degli utenti e protezione dagli attacchi informatici.

Il nostro Paese è anche tra i fondatori della EuroQCI e sta impiegando moltissime risorse per integrare il Quantum Computing con le reti e le infrastrutture in fibra ottica già installate e usate quotidianamente per telecomunicazioni.

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