Il calcolo quantistico utilizza la meccanica quantistica per eseguire alcuni calcoli molto più velocemente rispetto ai computer tradizionali.
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Un computer quantistico utilizza le proprietà della meccanica quantistica per eseguire calcoli. I computer quantistici sono molto più veloci in determinati tipi di calcoli rispetto ai computer classici (ovvero qualsiasi dispositivo informatico ampiamente utilizzato oggi, come smartphone, server e computer desktop). Ancora più importante, l'informatica quantistica potrebbe essere in grado di risolvere alcuni problemi matematici estremamente difficili che l'informatica classica non può risolvere in modo efficiente, il che metterebbe a rischio gli attuali metodi di crittografia ed esporrebbe dati sensibili.
Immagina di trovare un capitolo in un libro sfogliando pagina dopo pagina fino ad arrivare nel punto desiderato. Ora immagina invece di consultare prima il sommario e di passare quasi istantaneamente al capitolo corretto. Il calcolo quantistico è più simile all'esperienza di utilizzo di un sommario: esamina tutte le possibili soluzioni a un calcolo in modo rapido e simultaneo, invece di provare soluzioni diverse fino ad arrivare a quella corretta.
Tecnicamente, un computer classico può eseguire qualsiasi calcolo che un computer quantistico può fare, dato abbastanza tempo. Ma un computer classico potrebbe aver bisogno di secoli o millenni per risolvere un problema che un computer quantistico potrebbe teoricamente risolvere in pochi minuti.
In pratica, i ricercatori hanno prodotto solo una manciata di casi in cui un computer quantistico ha risolto un problema più velocemente di un computer classico. I computer quantistici sono difficili da costruire e instabili una volta costruiti. Ma se le sfide della costruzione di computer quantistici vengono risolte, l'informatica quantistica potrebbe trasformare in modo permanente la tecnologia.
Un computer classico memorizza le informazioni in una serie di bit. Un bit è l'unità di informazione più piccola possibile; il suo valore è 0 o 1.
Un computer quantistico memorizza le informazioni in qubit anziché in bit. Un qubit può avere un valore di 0, 1 o un mix di entrambi gli stati (il termine tecnico per tale mix è "sovrapposizione"). In effetti, il valore di un qubit è incerto, a differenza di un bit classico, che è sempre noto come 0 o 1. Il valore di un qubit rimane indeterminato finché qualcuno non lo osserva.
Di conseguenza, un computer quantistico può contenere più stati, o versioni, di informazioni contemporaneamente. Ciò gli consente di elaborare soluzioni ai calcoli a un ritmo esponenzialmente più veloce rispetto a un normale computer, proprio come un team di persone che esegue più attività contemporaneamente completerà un progetto più velocemente di una persona che esegue tutte le attività da solo.
Immagina un segmento di informazioni come un globo. Un bit può trovarsi al polo nord o al polo sud del globo. Un qubit può trovarsi ovunque sulla superficie del globo, aumentando notevolmente le possibilità informative che può contenere.
A livello meccanico, ovviamente, bit e qubit non sono in realtà globi. Un bit è una piccola sezione di un computer che contiene una carica elettrica (1) o non contiene una carica elettrica (0). Un qubit è la posizione incerta e instabile di un elettrone all'interno di un atomo.
Finora, sono stati costruiti pochissimi computer quantistici. Quelli che sono stati costruiti sono piccoli, instabili e non utilizzabili al di fuori delle condizioni di laboratorio.
Questo perché il calcolo quantistico deve affrontare alcune sfide importanti:
I qubit sono fragili. Rumore, vibrazioni, sbalzi di temperatura e onde elettromagnetiche possono inibire o distruggere lo stato interno di un qubit. Per funzionare correttamente, i computer quantistici devono trovarsi in ambienti altamente controllati privi di questi e altri tipi di interferenza. Tali ambienti sono difficili da costruire e mantenere al di fuori di un laboratorio.
I fattori ambientali influiscono anche sui computer classici: ad esempio, le alte temperature o le forti forze magnetiche possono rallentare o distruggere un computer. Ma il problema è molto più grave per i computer quantistici, al punto che è incerto se possano funzionare in condizioni reali.
(Alla fine potrebbe essere possibile contrastare le interferenze, proprio come la ventola di un computer desktop aiuta a contrastare le alte temperature.)
I computer quantistici sono in generale meno stabili delle loro controparti classiche. Questo li rende più inclini agli errori. Tutti i computer commettono errori, motivo per cui i computer classici hanno memoria integrata e processori dedicati alla correzione degli errori. Ma i computer quantistici devono dedicare molte più risorse alla correzione degli errori rispetto ai computer classici, rispetto alla loro capacità di elaborazione.
Per mantenere stabili i qubit, i computer quantistici devono essere mantenuti estremamente freddi, solo pochi gradi sopra lo zero assoluto. Ancora una volta, questo rende difficile il loro utilizzo al di fuori di ambienti di laboratorio altamente controllati.
Il risultato di queste e altre sfide è che pochissimi computer quantistici sono stati costruiti con più di una manciata di qubit. (Un computer quantistico da 256 qubit è stato annunciato nel 2021 e un'azienda spera di costruire un computer quantistico da 1.000 qubit entro il 2023.)
L'impatto completo del calcolo quantistico è difficile da determinare, poiché non è ancora chiaro se i computer quantistici su larga scala siano fattibili, per non parlare se sia possibile la produzione di massa di tali computer. Ciò contrasta con l'informatica classica: nella maggior parte delle società, i computer in miniatura sono utilizzati in quasi tutti gli aspetti della vita e molte persone hanno in tasca l'equivalente di un supercomputer (come gli smartphone).
Computer quantistici potenti e stabili potrebbero avere importanti impatti positivi sulla società. Ma è anche chiaro che tali computer metterebbero a rischio la privacy e la sicurezza in modi nuovi.
Ci sono molte possibili applicazioni dei computer quantistici. Con computer più potenti, il settore finanziario potrebbe essere in grado di aiutare ad analizzare e prevedere in modo più accurato il mercato azionario. I climatologi potrebbero essere in grado di analizzare e prevedere i modelli meteorologici in modo più preciso. I sistemi di trasporto potrebbero diventare più efficienti se i computer quantistici fossero in grado di prevedere meglio i modelli di traffico.
Tutti questi risultati sono ancora teorici. E anche se si potessero costruire computer quantistici su larga scala e altamente stabili, i loro risultati di elaborazione sarebbero comunque accurati solo quanto i dati che vengono alimentati. Anche così, il calcolo quantistico potrebbe avere un grande impatto positivo su queste o aree simili.
Oggi, le informazioni sensibili sono spesso protette tramite l'uso della crittografia. La crittografia è il processo di codifica di un messaggio utilizzando una chiave, in modo che nessuno possa leggere il messaggio tranne qualcuno che ha la chiave. La crittografia protegge i dati personali che gli utenti inseriscono sui siti Web (tramite TLS), i dati aziendali archiviati su dischi rigidi e server, dati governativi riservati e altre informazioni sensibili.
Molti tipi di crittografia si basano su difficili problemi matematici, come la fattorizzazione principale, per proteggere i dati. La difficoltà di questi problemi garantisce che la crittografia non possa essere violata entro un periodo di tempo fattibile. Sebbene esistano algoritmi ben noti per violare la crittografia, è sempre possibile utilizzare chiavi crittografia più grandi, che richiedono esponenzialmente più tempo (per i computer classici) per trovare la chiave e violare la crittografia.
Tuttavia, i computer quantistici possono teoricamente risolvere i problemi difficili utilizzati nei metodi crittografia attualmente implementati. In questo scenario, l'aumento delle dimensioni delle chiavi non rafforza la difficoltà del problema in modo esponenziale. Pertanto, la violazione crittografia potrebbe richiedere molto meno tempo. Ciò consentirebbe ai computer quantistici di violare la maggior parte degli attuali metodi crittografia, mettendo a rischio di esposizione tutti i dati crittografati.
Cloudflare è fortemente coinvolto nello sviluppo di nuovi metodi crittografia quantistica resistenti che proteggeranno le informazioni sensibili ora e in futuro: questi metodi sono noti come crittografia post-quantistica (PQC). Questo fa parte del più ampio impegno di Cloudflare per aiutare a sviluppare protocolli Internet, standard crittografia e protezioni della privacy migliori.
Cloudflare continuerà a contribuire in quest'area. Per saperne di più, consulta gli ultimi post del blog sul calcolo quantistico e la crittografia.