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Informatica quantistica

La prossima generazione di tecnologie informatiche

L'avvento dell'informatica quantistica rappresenta la prossima grande trasformazione tecnologica, che porterà cambiamenti economici e sociali completi. Ecco una breve introduzione su cosa ci si aspetta dalla tecnologia.

La tecnologia informatica di nuova generazione

Il calcolo quantistico (QC) è la prossima generazione di tecnologia informatica, che sfrutta la fisica quantistica.

Mentre l'informatica classica si basa sul bit, la sua unità di base, il calcolo quantistico si basa sul qubit, o su qualsiasi valore tra i qubit, o su qualsiasi combinazione di essi.

Mentre un bit esiste secondo una logica binaria, ovvero 0 o 1, disattivato o attivato, un qubit può esistere contemporaneamente sia nello stato 0 che nello stato 1, in un fenomeno noto come "sovrapposizione".

«Entanglement» è un altro fenomeno fondamentale che dà il potere del controllo di qualità. Quando due o più qubit sono intrecciati, agiscono come un unico sistema, proprio come gli ingranaggi incastonati in un cambio, in modo che un passaggio a un qubit cambia tutti gli altri con cui è impigliato. Ciò significa che una singola operazione può influenzare contemporaneamente gli stati di molti qubit.

Il risultato è un nuovo tipo di elaborazione sorprendentemente più potente.

Entro il 2030 potrebbero esserci tra 2.000 e 5.000 computer quantistici in tutto il mondo. Ce n'erano meno di una dozzina nel 2018.

Computer esponenzialmente più potenti

1 Il computer quantistico può risolvere un problema che richiederebbe un cluster di 512 GPU

Il controllo qualità ha il potenziale per risolvere problemi che sono esponenzialmente più complessi di quelli che l'informatica classica può risolvere.

Un computer quantistico da 1.000 qubit (che si prevede arriverà in 2-3 anni) sarebbe in grado di operare simultaneamente su 10³⁰¹ (ovvero un 1 seguito da 301 zeri) diversi cosiddetti "stati di informazione".

Uno "stato" in questo contesto significa una possibile soluzione a un dato problema. La maggior parte delle soluzioni possibili saranno sbagliate, quindi più stati possiamo esplorare, maggiori sono le nostre possibilità di trovare la soluzione migliore.

Due architetture, due archi temporali

I ricottori quantistici sono specializzati per attività di ottimizzazione. Una compagnia aerea potrebbe utilizzare un computer del genere per preparare un programma ottimale delle rotte degli aerei, che riduca al minimo il consumo di carburante garantendo al contempo che tutti gli orari dei passeggeri siano rispettati.

Inizieranno ad avere un impatto commerciale in 2-5 anni

 

I computer quantistici basati su gate sono universali, il che significa che saranno in grado di calcolare un'ampia gamma di problemi. In futuro un'azienda farmaceutica ne utilizzerà uno per simulare nuovi composti farmaceutici, esplorando gli effetti di milioni di essi senza doverli sintetizzare e testare.

Inizieranno ad avere un impatto commerciale tra 7-10 anni

Tecnologie quantistiche

Qubit superconduttori

Una delle principali piattaforme tecnologiche per lo sviluppo di computer quantistici. IBM, Google, D-Wave e altri lo stanno mettendo al lavoro. I sistemi superconduttori operano tipicamente a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto, al fine di creare le giuste condizioni di calcolo quantistico.

Reti quantistiche

Le reti quantistiche consentono la trasmissione di informazioni quantistiche entangled su canali di comunicazione. Sono una delle tecnologie abilitanti alla base della QKD e consentiranno sia una maggiore sicurezza che una maggiore larghezza di banda.

Distribuzione quantistica delle chiavi (QKD)

Un metodo di comunicazione sicuro che implementa un protocollo crittografico che coinvolge componenti della meccanica quantistica. Consente a due parti di produrre una chiave segreta casuale condivisa nota solo a loro, una chiave che può poi essere utilizzata per crittografare e decrittografare i messaggi. Mantiene la promessa di essere invulnerabile agli attacchi " man-in-the-middle ".

Sensore quantistico

Un dispositivo che funziona rilevando le variazioni di microgravità utilizzando i principi della fisica quantistica, che si basa sulla manipolazione della natura a livello sub-molecolare. Il rilevamento quantistico utilizza proprietà della meccanica quantistica come l'entanglement quantistico, l'interferenza quantistica e la compressione dello stato quantistico per superare i limiti di corrente nella tecnologia dei sensori ed eludere il principio di indeterminazione.

Qubit di ioni quantistici

Le trappole ioniche quantistiche sono un'altra piattaforma tecnologica utilizzata per sviluppare computer quantistici. Implica l'uso della forza elettromagnetica per confinare gli ioni nello spazio libero. LonQ è il principale sostenitore di questo approccio.

Architetture di ricottura

Un'architettura di ricottura è più semplice, basata sull'idea di trovare lo stato energetico più basso nel sistema quantistico. Questo stato di energia più basso corrisponde alla soluzione ottimale di un problema di ottimizzazione.

Architetture dei cancelli

Le architetture delle porte utilizzano l'equivalente quantistico delle porte logiche che fungono da elementi costitutivi delle unità di elaborazione centrale basate sul silicio. Detto questo, un computer quantistico basato su gate può, almeno in teoria, calcolare lo stesso insieme di problemi di un computer tradizionale.

Fotonica

I sistemi fotonici si basano sugli impulsi luminosi e sulla polarizzazione della luce per creare i loro qubit. A differenza della maggior parte delle altre tecnologie qubit, hanno il vantaggio di funzionare a temperatura ambiente, ma tendono a funzionare molto più lentamente dei qubit superconduttori. Xanadu è l'azienda leader che persegue un approccio al controllo qualità basato sulla fotonica.

Crittografia post-quantistica (PQC)

La crittografia post-quantistica è il termine collettivo per i nuovi approcci di crittografia a chiave pubblica resistenti ai computer quantistici. Il processo di selezione degli algoritmi PQC è gestito dal National Institute of Standards and Technology (NIST). La maggior parte delle grandi organizzazioni sta seguendo l'esempio del NIST.

Calcolo quantistico nel cloud

Hardware

In genere, le aziende che necessitano del controllo di qualità non possiedono i propri computer. L'idea dei computer quantistici locali non è attualmente pratica, per una serie di ragioni principali:

  • I dispositivi quantistici sono costosi
  • Il loro funzionamento è complesso e quindi costoso
  • Data la frequenza con cui i dispositivi quantistici ricevono aggiornamenti dai produttori, uno singolo diventerebbe rapidamente obsoleto

Invece, gli utenti finali dei computer quantistici vi accedono tramite servizi cloud.

Attualmente esistono due approcci alla fornitura cloud di QC:

Pro e contro dei due approcci

Cloud proprietario

In questo approccio, i provider offrono l'accesso ai propri dispositivi di controllo qualità tramite i propri servizi cloud. IBM è l'azienda più importante che segue questo approccio e offre il controllo di qualità tramite il suo IBM Q Network.

Punti di forza

Integrazione più stretta tra la piattaforma cloud esistente del provider e la piattaforma quantistica Latenza di rete ridotta tra una piattaforma cloud classica e la piattaforma quantistica, che sarà un vantaggio per le applicazioni a bassa latenza (come il rilevamento delle frodi)

Debolezze

Selezione limitata di opzioni di back-end per l'elaborazione quantistica

Potenziale per modelli commerciali più restrittivi

Pericolo di vendor lock-in

Cloud pubblico

In questo approccio, i principali servizi cloud forniscono l'accesso ai dispositivi di controllo qualità di fornitori terzi. Amazon Braket, ad esempio, offre l'accesso a D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ e Xanadu, con altri in cantiere. Microsoft Azure Quantum offre l'accesso a Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO e Toshiba SQBM+.

Punti di forza

Utilizza i servizi di accesso e fatturazione esistenti del provider cloud e servizi condivisi simili

Fornisce una facile rampa di accesso ai computer quantistici, in genere con un modello "pay as you go"

Fornisce l'accesso a un'ampia varietà di computer quantistici, consentendo il confronto tra le piattaforme e l'identificazione del dispositivo appropriato per il problema in questione

Debolezze

Tendenza verso una latenza più elevata nell'accesso al dispositivo quantistico a causa di round trip e accodamento di rete

Ciò, a sua volta, crea problemi in applicazioni come il rilevamento delle frodi e il trading ad alta frequenza che hanno requisiti di tempo reale o bassa latenza, al punto che tali applicazioni potrebbero non essere pratiche

 

 

In futuro, i provider di cloud potrebbero ospitare dispositivi quantistici nei loro data center insieme al tradizionale hardware CPU e GPU, riducendo così al minimo gli effetti di latenza e abilitando una nuova classe di applicazioni ibride quantistiche classiche ad alto rendimento e bassa latenza, come il rilevamento delle frodi e il trading ad alta frequenza.

Software/API

Le API e gli SDK associati tendono ad essere open source e, con poche eccezioni, scritti nel linguaggio di programmazione Python.

Ogni fornitore leader di QC fornisce in genere le proprie API per supportare i propri dispositivi o servizi.

Alcuni fornitori, come IonQ, hanno deciso di supportare le API di altri fornitori anziché sviluppare le proprie API proprietarie. IonQ, ad esempio, supporta Qiskit di IBM e Cirq. Questo approccio consente agli algoritmi quantistici scritti in Qiskit per una macchina quantistica IBM, ad esempio, di essere trasferiti più facilmente per l'esecuzione su un dispositivo IonQ.

Il futuro vedrà un piccolo numero di API standardizzate, fornite o obbligatorie dai grandi fornitori di tecnologia/cloud (IBM/Amazon/Microsoft), a cui si affideranno i fornitori di hardware per il calcolo quantistico.

Applicazioni nei servizi finanziari

Mentre si battono per la leadership nel controllo di qualità, è probabile che gli istituti finanziari scoprano che lo sviluppo e la fidelizzazione delle competenze e dei talenti diventeranno un campo di battaglia chiave. I leader nell'applicazione delle tecnologie quantistiche vedranno la loro sicurezza, efficienza operativa ed efficacia dei prodotti crescere in modo significativo, mentre i ritardatari vedranno questi aspetti della loro attività erosi.

Anche se non ci aspettiamo che i computer quantistici siano sufficientemente potenti da decrittografare gli odierni sistemi crittografici basati su PKI per almeno 10-12 anni, c'è ancora molto lavoro da fare per prepararli a contrastare le minacce quantistiche.

Un effetto catalizzatore in altri settori

Il controllo qualità ha applicazioni potenzialmente trasformative in una serie di altre aree.

Scoperta di farmaci

Il Quantum Computing migliorerà il processo di scoperta di farmaci accelerando l'identificazione e la simulazione delle molecole. Sposterà gli esperimenti dai laboratori umidi ai computer e i ricercatori avranno accesso a combinazioni chimiche che l'informatica convenzionale impiegherebbe decenni a ideare.

Sicurezza informatica

I computer quantistici minacciano la spina dorsale della sicurezza delle reti odierne: la crittografia a chiave pubblica RSA. Ma la tecnologia quantistica consentirà anche nuove e ancora più sicure forme di comunicazione.

Logistica

Il controllo qualità trasformerà le nostre catene di fornitura gestendo masse di dati incredibilmente complesse relative alla capacità di produzione, alla geografia e all'infrastruttura, ai modelli meteorologici, al percorso, alla capacità ferroviaria e delle rotte di spedizione e altro ancora.

Automobilistico

QC si avvicinerà a un ecosistema di veicoli autonomi praticabile. L'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico basati sulla quantistica accelereranno il processo di apprendimento degli algoritmi necessari. Anche la classificazione delle immagini e la detenzione degli oggetti 3D trarranno vantaggio dal controllo qualità.

Simulazione

Il controllo qualità fornirà nuove capacità nella modellazione della realtà. Prevediamo meglio gli eventi meteorologici estremi, tracceremo i cambiamenti climatici, prediremo come lo sviluppo urbano influenzerà le emissioni, prevedremo la crescita della popolazione e altro ancora.

Man mano che il controllo qualità guadagna terreno, vedremo naturalmente apparire casi d'uso in numerosi settori.

TECNOLOGIA EMERGENTE

I giocatori in QC in questo momento

Una varietà di fornitori di hardware sta creando i propri computer quantistici, utilizzando una serie di diversi fenomeni fisici sottostanti e implementando sia approcci universali, basati su gate, sia l'approccio di ricottura quantistica. Questi includono:

Oltre ai fornitori di hardware, ognuno dei quali offre in genere le proprie librerie software (ad esempio, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), esistono anche numerosi fornitori di software quantistico pure-play. Tra questi:

Crescita del mercato QC

2016

89 MILIONI DI DOLLARI

Mercato globale dell'informatica quantistica

2025

949 milioni di dollari

mercato globale dell'informatica quantistica (previsto)

CAGR del 30% dal 2017 al 2025

Grande potenziale davanti a sé

I computer quantistici saranno appropriati per determinate attività. A breve termine, i computer quantistici eccelleranno nella risoluzione di problemi numerici complessi e coesisteranno con i computer classici esistenti per consentire sistemi ibridi quanto-classici. L'ibridità è importante, perché mentre l'informatica classica fornisce risultati semplici, i computer quantistici forniscono risultati in distribuzioni di probabilità, generando serie di risposte che potrebbero poi richiedere l'analisi utilizzando computer classici. Più avanti nel futuro, il controllo qualità ha il potenziale per essere trasformativo. Apporterà enormi miglioramenti in alcuni ambiti, dandoci i mezzi per creare nuovi farmaci rivoluzionari, ottimizzare il funzionamento dei nostri mercati finanziari, proteggere le nostre reti, comprendere sistemi complessi, dalle ecologie terrestri alle reti globali di domanda e offerta e altro ancora. Per quanto riguarda i suoi effetti massimi, l'orizzonte è aperto. Sono in arrivo cambiamenti significativi a livello sociale ed economico: proprio come l'informatica classica, il controllo qualità sarà completamente trasformativo in termini di stile di vita. Ma la storia resta da scrivere e i prossimi decenni saranno testimoni di ciò che le nostre menti migliori possono fare con questo nuovo potente strumento.