Quantum Computing: stato dell’arte e potenziali sviluppi – Intervista a Fausto Intilla

In questa intervista (di Riccardo Viola), Fausto Intilla ci parlerà dei più recenti sviluppi nel campo della computazione quantistica, in relazione ai suoi risvolti nel settore delle tecnologie quantistiche, dell’intelligenza artificiale e della robotica. Cercheremo dunque di capire in quale direzione la scienza dell’informazione si sta muovendo in questi ultimi anni e soprattutto, quali sono gli obbiettivi che si prospettano raggiungibili a breve termine, almeno a livello teorico. Buona lettura!

R.V.: Buongiorno Fausto e bentrovato anche quest’anno, per una breve intervista che avremo il piacere di pubblicare su Altrogiornale, su un argomento che in campo scientifico, grazie ai suoi continui sviluppi esponenziali, è sempre d’attualità: la computazione quantistica. Ebbene a che punto siamo oggi? Il computer quantistico rimarrà un sogno ancora per lungo tempo, oppure ci stiamo finalmente avvicinando alla concretizzazione di qualcosa d’importante?

F.I.: Purtroppo la ricerca in tale settore va avanti solo a piccoli passi; passi che tuttavia a volte sono di notevole importanza. Risale infatti a qualche settimana fa, la notizia che un gruppo di ricercatori della New South Wales University di Sydney, in Australia, ha realizzato la prima porta logica a due qubit in grado di completare un’operazione in 0,8 nanosecondi; ovvero ad una velocità duecento volte superiore, circa, a quella che solitamente si raggiunge con porte logiche a due qubit basate sullo spin. Si tratta dunque della versione più veloce mai realizzata finora, di un gate a due qubit in atomi di silicio.

Un gate a due qubit è un’operazione tra due spin elettronici, paragonabile al ruolo che le porte logiche classiche svolgono nell’elettronica convenzionale. Per la prima volta, questo gruppo di ricercatori è stato in grado di costruire un gate a due qubit, posizionando due qubit atomici vicinissimi tra loro e poi, in tempo reale, osservando e misurando in modo controllabile i loro stati di spin. In sostanza, questo risultato ci svela un meccanismo quantistico che consente il controllo e la lettura dei qubit su nanoscala; ovvero qualcosa che fino a poco tempo fa, ritenevamo quasi impossibile. Da un punto di vista teorico, ciò che si evince è la possibilità di realizzare un computer quantistico utilizzando i qubit atomici. La nota dolente tuttavia, sta nel fatto che per riuscire a realizzare con tale approccio, ad esempio, un circuito quantistico integrato di soli dieci qubit, non occorreranno mesi, ma anni. Rimane comunque un aspetto di fondamentale importanza, in relazione al risultato ottenuto dai ricercatori australiani; ed esso sta nel fatto che la porta quantistica da essi realizzata e denominata SWAP, è anche idealmente adatta a spostare le informazioni quantistiche tra i qubit e inoltre, cosa non da poco, in combinazione con una singola porta quantistica, consente di eseguire qualsiasi algoritmo quantistico.

R.V.: Stupefacente! Non vi sono altre parole per definire un simile risultato. A questo punto però, le tue ultime parole mi portano inevitabilmente alla seguente domanda: Ma il giorno in cui saranno pronti i primi computer quantistici “degni di nota”, ovvero utilizzabili negli ambiti più disparati del sapere umano, saremo altrettanto pronti ad implementare in essi, gli adeguati algoritmi quantistici? Esistono già tali algoritmi, o debbono ancora essere elaborati? Detta in altri termini, quando avremo finalmente l’hardware, saremo altresì pronti ad implementare i software?

F.I.: Purtroppo al momento lo stato dell’arte in tale direzione è ancora piuttosto deficitario. Tuttavia di recente, qualcosa d’importante è stato scoperto in relazione ad un potenziale risvolto positivo della situazione. Risale infatti a pochi giorni fa la notizia che un gruppo di ricercatori dell’Università di Varsavia, in Polonia, in collaborazione con il NIST e l’Università di Oxford, è riuscito a dimostrare che l’interferenza quantistica consente l’elaborazione di grandi serie di dati, più velocemente e con maggiore precisione rispetto ai metodi standard.

I risultati del loro lavoro sono stati pubblicati su Science Advances e qualcuno già ritiene che potrebbero dare un notevole contributo all’avanzamento di applicazioni inerenti alle tecnologie quantistiche legate all’intelligenza artificiale, nonché di quelle relative al campo della robotica e della diagnostica medica.

È dagli anni Settanta del secolo scorso che continuiamo a processare dati relativi ad immagini, suoni, segnali radio ed altri tipi d’informazione con la trasformata di Fourier veloce (FFT, è il relativo acronimo; dall’inglese: Fast Fourier Transform); che in sostanza è un algoritmo che ci permette di elaborare qualsiasi segnale digitale. La tecnologia FFT consente di comprimere e trasmettere in modo efficiente i dati, archiviare le immagini, trasmettere la TV digitale e parlare tramite un telefono cellulare. Senza questo algoritmo, i sistemi di imaging medicale basati sulla risonanza magnetica o sugli ultrasuoni, non sarebbero mai stati sviluppati. Tuttavia, è ancora troppo lenta per molte applicazioni esigenti. Ed è questo il motivo che ha spinto molti scienziati a cercare per molti anni una soluzione alternativa alla tecnologia FFT, che permettesse velocità operative molto più elevate. Una soluzione che si è sempre cercata nel campo della meccanica quantistica. Ebbene finalmente, sembrerebbe che tale soluzione sia stata trovata. Si tratta infatti della Trasformata Quantistica di Fourier (QFT è l’acronimo di riferimento; dall’inglese: Quantum Fourier Transform), che però può essere realizzata solo con un computer quantistico.

Poiché il computer quantistico elabora simultaneamente tutti i valori possibili (le cosiddette “sovrapposizioni” di stati) dei dati di input, il numero di operazioni diminuisce considerevolmente. La matematica descrive molte trasformate e una di queste è la trasformata di Kravchuk. È molto simile alla FFT, in quanto consente l’elaborazione di dati discreti (ad esempio digitali), ma utilizza le funzioni di Kravchuk per decomporre la sequenza di input nello spettro. Alla fine degli anni Novanta del secolo scorso, la trasformata di Kravchuk fu “riscoperta” nel campo dell’informatica. Essa si è rivelata eccellente per l’elaborazione di immagini e suoni. Ha permesso agli scienziati di sviluppare algoritmi nuovi e molto più precisi per il riconoscimento di testi stampati e manoscritti (anche in lingua cinese!), gesti, linguaggio dei segni, persone e volti. Una dozzina di anni fa, è stato dimostrato che questa trasformata è ideale per elaborare dati di bassa qualità, rumorosi e distorti; quindi potrebbe essere utilizzata per la visione artificiale in robotica e nei veicoli autonomi. Non esiste un algoritmo veloce per calcolare questa trasformata; tuttavia si è scoperto che la meccanica quantistica consente di aggirare questa limitazione.
Il gruppo di Varsavia, in sostanza, è riuscito a dimostrare che la porta quantistica più semplice, che interferisce tra due stati quantistici, calcola essenzialmente la trasformata di Kravchuk.

Una simile porta logica, ad esempio, potrebbe essere rappresentata da un noto dispositivo ottico, il beam-splitter, che divide i fotoni tra due uscite (output). Quando due stati di luce quantistica entrano nelle porte di ingresso (input) da due lati, interferiscono. Ad esempio, due fotoni identici, che contemporaneamente entrano in questo dispositivo, si uniscono formando una coppia ed escono insieme dalla stessa porta d’uscita. Questo è il ben noto effetto Hong-Ou-Mandel, che può anche essere esteso a stati fatti di molte particelle. Interferendo in “pacchetti” costituiti da molti fotoni indistinguibili (l’indistinguibilità è molto importante, poiché la sua assenza distrugge l’effetto quantistico), che codificano l’informazione, si ottiene un computer quantistico specializzato nel calcolare la trasformata di Kravchuk. Senza entrare troppo nei dettagli dell’esperimento condotto dai fisici di Varsavia, ciò che di fondamentale importanza emerge dal loro lavoro, è il fatto che teoricamente si arrivi alla possibilità di elaborare degli algoritmi costituiti da una sola operazione, implementata con una singola porta logica.

R.V.: Dunque a questo punto immagino che occorrerà attendere ancora parecchio tempo, prima di vedere delle applicazioni concrete basate su queste nuove scoperte scientifiche.

F.I.: Certamente. Degli avanzamenti concreti da un punto di vista pratico, suppongo che saranno osservabili solo tra una decina d’anni. Il risultato attualmente ottenuto da questo gruppo di ricerca, sicuramente un giorno troverà applicazioni nello sviluppo di nuove tecnologie quantistiche e di algoritmi quantistici. Si tratta di un risultato che ci porta oltre le eventuali applicazioni nel campo della fotonica quantistica, poiché una simile interferenza quantistica può essere osservata in molti sistemi quantistici diversi. L’Università di Varsavia ha richiesto addirittura un brevetto internazionale per questa innovazione; dunque si tratta di una scoperta davvero importante, da qualsiasi punto di vista. È assai probabile quindi che la trasformata di Kravchuk, un giorno troverà varie applicazioni nella computazione quantistica; dove diventerà una componente importante per nuovi algoritmi, specialmente nei computer ibridi quantistici, che uniscono circuiti quantistici con layout digitali standard.

R.V.: A questo punto la domanda fondamentale allora non è più: Riusciremo un giorno a costruire un computer quantistico? Bensì …quando sarà pronto il primo computer quantistico implementabile con algoritmi quantistici?

F.I.: È una domanda a cui è molto difficile dare una risposta; tuttavia, se mi costringi a fare una previsione, direi non prima del 2032.

R.V.: Una previsione da parte mia del tutto condivisibile, direi. Grazie di cuore Fausto per la tua gentile collaborazione e a presto; spero in occasione di un’altra interessante intervista.

F.I.: Grazie a te Riccardo e un caro saluto a tutto lo staff di AG. Alla prossima!

22.07.2019

Quantum Computing: stato dell’arte e potenziali sviluppi – Intervista a Fausto Intilla ultima modifica: 2019-07-24T14:15:58+01:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)