I computer quantistici possono potenzialmente trasformare la finanza, la sicurezza informatica e altri settori. Tuttavia, gli investitori che sperano di beneficiare della nuova tecnologia devono essere pazienti e separare la realtà dal battage pubblicitario.
Nel 2017, la scienziata cinese Juan Yin e il suo team hanno condotto un singolare esperimento. Servendosi della tecnologia quantistica, hanno legato una coppia di fotoni su un satellite chiamato Micius, quindi li hanno inviati a diverse posizioni sulla Terra, a migliaia di chilometri di distanza.
Nonostante questa vasta distanza, i due fotoni hanno mantenuto il loro legame: quando si osservava l’uno, l’altro cambiava immediatamente le sue proprietà, come se le particelle fossero magicamente comunicanti. Il linguaggio scientifico usa il termine entanglement per indicare la proprietà che ha legato la coppia di fotoni.1
Benvenuti nello strano mondo della meccanica quantistica, dove su è contemporaneamente giù, qui è contemporaneamente là e dove non si applicano più le normali leggi della fisica. All’inizio del XX secolo, Albert Einstein ha ignorato l’entanglement perché lo giudicava una “inquietante azione a distanza”, ma ora viene osservato nei laboratori di tutto il mondo.2 La teoria quantistica sembra spiegare le dinamiche interne dell’universo, per quanto controintuitive possano sembrare nel contesto della nostra vita quotidiana.
Oggi, le bizzarre caratteristiche del regno quantistico vengono sfruttate per le tecnologie innovative. Le società hanno dato il via alla corsa per sviluppare computer quantistici costituiti da stringhe di bit quantistici, i cosiddetti qubit, legati dall’entanglement che promettono di aumentare in modo esponenziale la velocità di elaborazione. Queste macchine potrebbero teoricamente rivoluzionare qualsiasi settore che si basa su una potenza di elaborazione accelerata.
L’efficacia della tecnologia è circondata da una notevole incertezza e occorre affrontare le grandi sfide tecniche prima che diventi uno strumento pratico. Tuttavia, gli esperti sostengono che se si superano questi ostacoli, i metodi quantistici potrebbero essere utilizzati per migliorare le cure mediche, ottimizzare l’energia e le reti finanziarie e persino affrontare problemi globali come il cambiamento climatico.
Il gatto di Schrodinger
Per capire come funziona il calcolo quantistico è necessario concentrarsi su uno degli aspetti più inquietanti della fisica quantistica: l’idea che la realtà si comporti in modo diverso a seconda del fatto che venga osservata o meno.
La realtà si comporta in modo diverso a seconda che venga osservata
Il fisico austriaco Erwin Schrodinger ha illustrato questo concetto con un famoso esperimento mentale. Supponiamo che un gatto sia chiuso in una scatola dove vi è una probabilità di 50:50 che si verifichi un fenomeno quantistico, innescando così l’emissione di un gas velenoso. Il punto non è semplicemente che non sappiamo se il gatto sia vivo o morto fino a quando non apriamo la scatola, ma secondo le regole della meccanica quantistica, il gatto è contemporaneamente sia vivo che morto, fino a quando la situazione si risolve in una delle due possibilità una volta che viene osservato il gatto.
Fortunatamente, durante gli esperimenti quantistici non è stato maltrattato alcun gatto, ma l’effetto della sovrapposizione è stato registrato su scala micro nei laboratori, dove le particelle luminose si comportano in modo diverso se vengono misurate.
La sovrapposizione può essere utilizzata per creare un computer quantistico. I computer tradizionali sono costituiti da lunghe catene di bit, che possono essere descritte in modo binario: 1 o 0. Per contro, i bit quantistici possono trovarsi in varie sovrapposizioni di stati 1 e 0, che si risolvono definitivamente in uno o nell’altro stato solo quando viene effettuata una misurazione. Ciò significa che i computer quantistici possono lavorare contemporaneamente su un numero enorme di potenziali soluzioni a un problema.
Inoltre, i qubit possono essere entangled, vale a dire correlati quantisticamente, a coppie, come i fotoni dell’esperimento del satellite in Cina. Grazie alla potenza combinata della sovrapposizione e dell’entanglement, un computer quantistico potrebbe raggiungere velocità di elaborazione eventualmente eguagliabili solo da un computer classico di dimensioni planetarie.
Costruire un computer quantistico
Tuttavia, l’eventualità di vedere i computer quantistici nei nostri uffici o nelle nostre case è ancora remota. Uno dei problemi è la decoerenza: i qubit possono essere eliminati dalla sovrapposizione a causa di mini-vibrazioni o di minuscoli cambiamenti di temperatura.
“I dati quantistici sono molto delicati e un computer quantistico deve essere ben isolato dall’ambiente”, afferma Adrian Kent, professore di fisica quantistica all’Università di Cambridge. “I singoli circuiti quantistici devono essere tenuti isolati l’uno dall’altro in modo che non interferiscano. Inoltre, un computer quantistico programmabile deve consentire di controllare le interazioni quantistiche in modo molto preciso, al fine di poter creare il circuito giusto per il programma in questione”.
Un computer quantistico deve essere tenuto molto ben isolato dall'ambiente
Le società tecnologiche statunitensi e cinesi con le risorse necessarie per assemblare e gestire queste macchine volubili stanno facendo da apripista, insieme ad alcune grandi università. Società come Alibaba, Google e IBM hanno sviluppato computer quantistici funzionanti, anche se i più avanzati hanno soltanto circa 50-100 qubit, ancora lontani dalle macchine a 1000 e più qubit che sarebbero di qualche utilità nel mondo reale (cfr. Figura 1).
Figure 1: Progresso quantistico: computer quantistici nel tempo3
La natura competitiva della corsa ha scatenato il clamore mediatico e si è verificato qualche passo indietro da parte delle società coinvolte. Nonostante queste polemiche, le società tecnologiche stanno puntando all’accelerazione dei miglioramenti. Google ha recentemente dimostrato che il suo computer quantistico può essere utilizzato per simulare le reazioni chimiche,iv mentre IBM indica che costruirà una macchina da 1000 qubit entro il 2023. Entrambe le società ritengono che sia realizzabile una macchina da un milione di qubit entro la fine del decennio.5
Indipendentemente dal fatto che questa tempistica sia realistica o meno, le difficoltà tecniche legate al funzionamento dei computer quantistici su vasta scala implicano che probabilmente saranno usati per problemi specifici sui quali i computer tradizionali tendono a faticare. Tra questi figurano la modellazione di sistemi di grandi dimensioni e l’esecuzione di calcoli matematici complessi, come la fattorizzazione di numeri primi.
Finanza quantistica
La finanza è un settore adatto per i miglioramenti quantistici. I mercati sono appunto il tipo di sistemi complessi e imprevedibili che i computer quantistici dovrebbero essere in grado di modellare in modo più accurato rispetto ai loro equivalenti tradizionali. Inoltre, le società non stanno aspettando l’avvento di computer quantistici su vasta scala per studiare le soluzioni quantistiche.
I grandi istituti finanziari stanno collaborando con le società tecnologiche per provare gli algoritmi quantistici utilizzando macchine quantistiche intermedie, soggette a errori (o “rumorose”), rese disponibili utilizzando software accessibili sul cloud. Usando questi metodi come una sorta di trampolino, gli esperti hanno concluso che gli strumenti quantistici potrebbero essere impiegati per svariate attività finanziarie.
Grandi istituzioni finanziarie stanno collaborando con aziende tecnologiche per provare algoritmi quantistici
I computer quantistici dovrebbero accelerare gli algoritmi di apprendimento automatico utilizzati, ad esempio, dagli hedge fund e gettare le basi per strategie di trading più rapide ed efficienti. Le soluzioni quantistiche potrebbero essere utili anche nelle simulazioni Monte Carlo, i calcoli complessi utilizzati per valutare le opzioni di derivati e misurare il rischio. La ricerca indica che i metodi basati sulla quantistica possono accelerare la determinazione dei prezzi delle opzioni da un processo lungo una notte a uno immediato e consentire alle organizzazioni di eseguire stress test e di adeguare immediatamente i portafogli in base a un quadro in tempo reale delle loro esposizioni al rischio.
Gli algoritmi quantistici potrebbero essere applicati anche alla gestione delle risorse per ottimizzare i portafogli e incrementare i rendimenti, ma una delle domande principali riguarda i tempi, vale a dire sapere quando arriveranno i risultati reali dei metodi quantistici.
Un recente studio del Boston Consulting Group stima che le applicazioni di modellazione basate su Monte Carlo saranno ampiamente disponibili entro 5-10 anni, con potenti algoritmi quantistici utilizzati per l’ottimizzazione dei portafogli entro il prossimo decennio.6 Altre stime suggeriscono che le applicazioni pratiche dei metodi quantistici nella finanza arriveranno prima: Zapata, una start-up quantistica statunitense, ritiene che i punteggi sull’affidabilità creditizia basati sulla quantistica saranno disponibili entro 18 mesi.7
Sicurezza informatica quantistica
C’è un altro motivo, più pressante, per cui le istituzioni finanziarie stanno studiando l’informatica quantistica: la sicurezza. I moderni protocolli di crittografia si basano sulla fattorizzazione dei grandi numeri nei loro numeri primi costituenti, un calcolo troppo difficile da eseguire anche per i computer tradizionali superveloci. Utilizzando un processo noto come algoritmo di Shor, i computer quantistici potrebbero teoricamente craccare questi codici e smontare le difese della sicurezza informatica.
Metaculus, una piattaforma di previsione che aggrega previsioni di esperti di eventi futuri, ha una stima corrente sulla data in cui l’algoritmo di Shor verrà utilizzato per calcolare uno dei grandi numeri RSA utilizzati nell’attuale crittografia.8 A maggio 2021, la previsione mediana per la data era il 2048, una data ancora lontana ma abbastanza prossima da far pensare agli esperti del campo che le società e i governi dovrebbero iniziare a preoccuparsi della sicurezza dei propri dati.
I governi stanno investendo pesantemente nella tecnologia informatica quantistica, con un'attenzione particolare alla sicurezza informatica quantistica
Vista la minaccia ai segreti di stato e alla stabilità finanziaria, non sorprende che i governi stiano investendo in modo massiccio nella tecnologia di calcolo quantistico, con una particolare attenzione alla sicurezza informatica quantistica.
L’attuale ricerca sponsorizzata dallo stato si concentra sulla crittografia “post-quantistica”, sul tentativo di progettazione di sistemi crittografici che utilizzano processi diversi dalla fattorizzazione e saranno quindi in grado di resistere agli hacker quantistici. Il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti sta attualmente svolgendo un concorso internazionale per trovare il sistema di crittografia post quantistico più efficace e dovrebbe definire nuovi standard nel 2022.
Sicurezza informatica quantistica
C’è un altro motivo, più pressante, per cui le istituzioni finanziarie stanno studiando l’informatica quantistica: la sicurezza. I moderni protocolli di crittografia si basano sulla fattorizzazione dei grandi numeri nei loro numeri primi costituenti, un calcolo troppo difficile da eseguire anche per i computer tradizionali superveloci. Utilizzando un processo noto come algoritmo di Shor, i computer quantistici potrebbero teoricamente craccare questi codici e smontare le difese della sicurezza informatica.
Metaculus, una piattaforma di previsione che aggrega previsioni di esperti di eventi futuri, ha una stima corrente sulla data in cui l’algoritmo di Shor verrà utilizzato per calcolare uno dei grandi numeri RSA utilizzati nell’attuale crittografia.8 A maggio 2021, la previsione mediana per la data era il 2048, una data ancora lontana ma abbastanza prossima da far pensare agli esperti del campo che le società e i governi dovrebbero iniziare a preoccuparsi della sicurezza dei propri dati.
Vista la minaccia ai segreti di stato e alla stabilità finanziaria, non sorprende che i governi stiano investendo in modo massiccio nella tecnologia di calcolo quantistico, con una particolare attenzione alla sicurezza informatica quantistica.
L’attuale ricerca sponsorizzata dallo stato si concentra sulla crittografia “post-quantistica”, sul tentativo di progettazione di sistemi crittografici che utilizzano processi diversi dalla fattorizzazione e saranno quindi in grado di resistere agli hacker quantistici. Il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti sta attualmente svolgendo un concorso internazionale per trovare il sistema di crittografia post quantistico più efficace e dovrebbe definire nuovi standard nel 2022.
Ricadute sugli investimenti
Secondo una recente analisi di Berenberg, è improbabile che il calcolo quantistico cambi il quadro dei ricavi per le grandi società tecnologiche diversificate che costruiscono le macchine più avanzate. Ciononostante, i governi e le organizzazioni private dovranno iniziare a proteggere i propri sistemi dai computer quantistici molto prima che diventino ampiamente disponibili, creando nel frattempo un settore della sicurezza informatica quantistica in rapida crescita.
Berenberg prevede che la sicurezza informatica quantistica varrà 32,5 miliardi di dollari entro il 2028 (rispetto ai 5 miliardi di dollari per il calcolo quantistico in sè ).9 Non si tratta semplicemente di aggiornare l’infrastruttura IT: con la diffusione dell’Internet delle cose e la maggiore interconnessione del nostro mondo fisico, i produttori dovranno mettere a prova di futuro i loro prodotti contro la minaccia quantistica.
I metodi quantistici dovrebbero trovare applicazione anche nel settore farmaceutico, consentendo di tagliare i costi e di migliorare l’efficacia dei nuovi trattamenti. Poiché la meccanica quantistica si allinea con i meccanismi intrinseci della natura, i sistemi quantistici sono equipaggiati molto meglio di quelli tradizionali per simularne gli effetti, agevolando l’individuazione di nuovi farmaci.
I metodi quantistici dovrebbero trovare applicazione anche nell'industria farmaceutica
I computer quantistici con un numero relativamente basso di qubit potrebbero replicare molecole come la penicillina e simulare le loro interazioni; per eseguire la stessa operazione, un computer tradizionale avrebbe bisogno di più bit del numero di atomi presenti nell’universo noto (cfr. Figura 3).
“La meccanica quantistica è al centro della complessità del problema dell’individuazione di farmaci, perché i processi biomeccanici sottostanti avvengono su scala molecolare, ed è qui che regnano le interazioni quantistiche”, afferma Lene Oddershede, professoressa di fisica presso il Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen e vicepresidente senior della Novo Nordisk Foundation.
Figure 3: Modellazione delle molecole: per modellare una molecola complessa, un computer tradizionale avrebbe bisogno di un numero di atomi superiore a quelli presenti nell’universo noto
Altri potenziali utilizzi dell’ottimizzazione quantistica e della modellazione chimica riguardano il settore delle energie rinnovabili. Oddershede ritiene che i governi dovrebbero cercare soluzioni quantistiche per migliorare l’efficienza delle reti energetiche nazionali, il tipo di grandi sistemi di produzione dei dati che i computer quantistici saranno in grado di gestire in modo più efficiente rispetto ai supercomputer odierni, che hanno un’impronta di carbonio gigantesca.
I governi e le aziende di una vasta gamma di settori stanno cercando di diventare i primi ad adottare la tecnologia quantistica
Data la gamma delle sue possibili applicazioni, non sorprende che le società di un’ampia gamma di settori stiano cercando di diventare le prime ad adottare la tecnologia quantistica, nonostante i punti interrogativi sulla sua efficacia nel presente. Le tempistiche sono relative, se da un lato uno smartphone o un PC basato sulla quantistica può sembrare una prospettiva remota, i responsabili della sicurezza informatica delle grandi organizzazioni dovranno iniziare a pensare a come rendere i propri sistemi a prova di quantistica prima o poi.
