Parliamo di quantum computing: dentro la ricerca di IBM per la chimica e la fisica

Qual è lo stato dell'arte dei computer quantistici e cosa è possibile farci? Quali sono i loro limiti e quali le potenzialità? Domande a cui non è facile rispondere, a maggior ragione per via dell'estrema complessità dell'argomento. Le abbiamo però fatte ad Antonio Mezzacapo, ricercatore italiano del Thomas J. Watson Research Center di IBM a Yorktown Heights, a nord di New York. Mezzacapo ci ha permesso di ottenere un interessante scorcio sul mondo dei quantum computer e ci ha spiegato cosa è possibile aspettarsi da essi.

Avevamo già trattato il tema dei computer quantistici, dando alcune definizioni di base, nel nostro pezzo Quantum computing: cos'è, a cosa serve e come funziona: vi invitiamo a leggerlo nel caso vogliate avere qualche informazione di base in più.

I quantum computer: non un'alternativa ai computer tradizionali, ma un complemento

Antonio Mezzacapo

Dieci anni fa i computer quantistici erano qualcosa di praticamente fantascientifico, le cui potenzialità non erano ben comprese. Oggi invece c'è la possibilità di "toccare con mano" queste macchine e verificare fin dove si possano spingere. È possibile fare molte cose che non sono realizzabili con i computer tradizionali basati sul silicio, ma dall'altro lato ci sono anche cose che questi ultimi riescono a fare molto meglio dei computer quantistici. Qual è, quindi, la differenza principale tra queste due tipologie di computer?

"Non si deve pensare ai computer quantistici come a un qualcosa che può velocizzare qualunque algoritmo già esistente", risponde Mezzacapo. "Insomma, un computer quantistico non farà girare Call of Duty più velocemente [non ci gira Crysis, NdR]. C'è una serie di algoritmi ben definiti sui quali il computer quantistico ha un vantaggio esponenziale rispetto ai computer classici. Una delle applicazioni è la fattorizzazione dei numeri primi, sulla quale si basano i protocolli di sicurezza di banche e siti web, ad esempio. Questo è un problema molto difficile per le architetture classiche, ma può essere risolto molto velocemente (polinomialmente) con i computer quantistici. Nel mondo dei database, invece, è possibile fare ricerche di elementi in tempi sub-lineari: mentre gli algoritmi classici hanno come tempo peggiore un tempo lineare, con l'algoritmo di ricerca di Grover per i computer quantistici è possibile trovare un elemento con un tempo pari alla radice quadrata della taglia dell'elemento [ovvero la sua dimensione, NdR]."

In parole più semplici, immaginiamo di dover cercare un oggetto tra delle scatole in un magazzino: se impieghiamo anche solo un minuto a scatola, ovvero il tempo per recuperarla, aprirla e rimetterla a posto, il tempo di ricerca diventa facilmente di anni se il magazzino contiene abbastanza scatole. Ma se impiegassimo un tempo non lineare, ovvero che cresce in misura ridotta con l'aumentare del numero di scatole da controllare (ma che non è fisso per ogni scatola), arriveremmo a trovare l'oggetto desiderato in tempi piuttosto ridotti. Con un tempo di un minuto a scatola, cercare 10.000 scatole è questione di una settimana di lavoro ininterrotto: con un tempo pari alla radice quadrata del numero di scatole, invece, sono meno di due ore! È facile vedere come questo sia un vantaggio considerevole, quando si pensa che i database contengono milioni o miliardi di elementi.

"Con algoritmi particolari come questo i computer quantistici hanno un vantaggio evidente rispetto a quelli classici. Come è facilmente immaginabile, un computer quantistico ha un vantaggio naturale nel simulare sistemi quantistici: con i computer tradizionali la memoria necessaria cresce esponenzialmente, mentre con un computer quantistico no. E questo è rilevante perché la ricerca industriale a livello mondiale dipende da questi problemi: la ricerca di nuovi materiali, di nuove molecole, la ricerca farmacologica, quella sulla fisica delle alte energie e su qualunque altro campo che si basi sulla meccanica quantistica ha questi problemi. I computer quantistici potrebbero dunque velocizzare estremamente la risoluzione di questi problemi - con un impatto possibile di migliaia di miliardi di dollari sul mondo industriale. Ecco perché IBM e altre società tecnologiche stanno investendo così tanto.

"Mi piace poi definire cosa vuol dire 'avere un vantaggio'. Ci sono diversi modi per definirlo, e uno di questi è il seguente. Se ho un problema e il migliore algoritmo che conosco per risolverlo con i computer tradizionali richiede tempo lineare, mentre con un computer quantistico ho un tempo di risoluzione sub-lineare, c'è un vantaggio quantistico, ma questo è perché non si è ancora trovato un algoritmo che scali in tempo sub-lineare. Questo è un tipo di vantaggio, ma un altro (che è molto più formale) è che non sia possibile trovare un algoritmo classico con un tempo di risoluzione sub-lineare. E questo è molto più forte, perché c'è la dimostrazione matematica che non sia possibile trovare un algoritmo altrettanto efficiente per i computer tradizionali. IBM chiama questa seconda definizione 'quantum advantage'."

Questo "vantaggio" è dunque il frutto di un limite invalicabile: in alcuni casi c'è una dimostrazione matematica che dice che non si può scendere sotto un certo livello con i computer tradizionali, mentre questo non è più vero con i computer quantistici. E proprio questo vantaggio è il motivo per cui si sta investendo tanto nei computer quantistici: perché è possibile velocizzare processi di simulazione che altrimenti richiederebbero investimenti ancora maggiori per costruire computer abbastanza potenti. In alcuni casi, addirittura, semplicemente non sarebbe possibile costruire computer in grado di svolgere le stesse operazioni. E quello che appare un limite teorico, un aspetto interessante solo per chi è più addentro alla materia, diventa invece una limitazione che fa la differenza nell'avanzamento della scienza e della tecnologia. IBM e alcuni partner accademici hanno recentemente dimostrato che questo vantaggio è presente anche se c'è molto rumore, ovvero se ci sono errori che non vengono corretti.

Quantum e IA insieme per migliorarsi a vicenda (e migliorare la ricerca)

L'utilizzo dell'intelligenza artificiale è ormai diventato diffuso ed è da tempo uscito dai laboratori di ricerca per entrare a far parte delle nostre vite. C'è una sovrapposizione tra quantum computing e utilizzo delle tecniche di IA oppure c'è una coesistenza per cui le due famiglie di tecnologie si vanno a completare e complementare a vicenda?

"È difficile resistere alla tentazione di combinare queste due tecnologie. Ci sono ricerche all'intersezione tra questi due campi. In uno studio a cui ho lavorato ci siamo posti la domanda di come utilizzare l'intelligenza artificiale per migliorare gli algoritmi quantistici. Quello che abbiamo trovato è che l'IA può aiutare l'algoritmo quantistico nel contesto della simulazione di sistemi di meccanica quantistica, nel senso che aiuta i computer quantistici a trovare i livelli minimi di energia di questi sistemi. Immaginiamo di dover trovare una molecola, ovvero un insieme di atomi nello spazio molto stabile: questa stabilità è in realtà un livello di energia molto basso. Per trovare molecole con i computer quantistici carichiamo una descrizione di questi atomi, cambiamo le distanze e misuriamo per ogni distanza qual è l'energia molecolare corrispondente, fino a che non otteniamo l'energia molecolare più bassa. C'è però un problema: i computer quantistici attuali faticano a misurare con precisione questi livelli di energia e il rischio è di perdere configurazioni differenti ma utili perché il livello di precisione non permette di distinguerle.

"Abbiamo dunque elaborato queste misure con una rete neurale, che è lo strumento principe dell'intelligenza artificiale. Elaborando queste misure con la rete neurale siamo riusciti a ottenere misure più precise. Questo è un esempio di come l'IA permette di migliorare i computer quantistici e non viceversa, che è invece il campo su cui si stanno concentrando un po' tutti. Abbiamo usato questa idea dimostrando che un metodo classico può beneficiare dei risultati del quantum computing. Ci sono quindi vantaggi netti nel combinare questi approcci."

Non bisogna quindi pensare che i computer quantistici andranno a sostituire quelli tradizionali: i due tipi di computer continueranno a coesistere e, anzi, utilizzare tecniche in cui si sfruttano le peculiarità di ciascuno sarà l'approccio che porterà presumibilmente ai risultati migliori, perché permetterà di sfruttare i punti di forza di entrambi. Senza utilizzare i computer tradizionali, attualmente i computer quantistici sarebbero molto meno capaci di eseguire le operazioni desiderate (e quindi molto meno interessanti), mentre dall'altro lato l'impiego di computer quantistici ci permette di arrivare a scoperte che non sarebbero raggiungibili in ambiti di tempi e costi sostenibili con le tecnologie tradizionali.

Questi discorsi possono apparire come astratti, ma non lo sono. Pensiamo all'esempio dei superconduttori, ovvero materiali in grado di condurre elettricità senza alcuna dispersione di energia: la ricerca si occupa da decenni di cercare dei superconduttori ad alte temperature perché la loro scoperta porterebbe a poter realizzare, ad esempio, trasformatori di potenza e motori elettrici di efficienza estremamente elevata. "Questo è stato un po' il Sacro Graal della fisica della materia condensata negli ultimi cinquant'anni e potrebbe essere un'ottima applicazione dei computer quantistici", ci dice Mezzacapo.

Viene dunque da domandarsi quale sarà l'impatto concreto sulla ricerca dei nuovi materiali: ci sarà una maggiore velocità nel processo di ricerca, un costo minore, la possibilità di arrivare a scoperte altrimenti irraggiungibili? "I computer quantistici porteranno un cambiamento radicale. Quando avremo un computer quantistico abbastanza grande e abbastanza libero da errori, ci sarà senza dubbio una rivoluzione nel mondo della scienza dei materiali. Da un punto di vista economico, usare i computer quantistici sarà un risparmio notevole rispetto agli approcci tradizionali, non solo per via del costo minore delle macchine, ma anche per via dei risparmi associati al minore consumo energetico. Ci sono poi anche risparmi associati al non dover avere un laboratorio fisico, con tutti i costi conseguenti - oggigiorno si va per tentativi e nella maggior parte dei casi la ricerca non porta a trovare la molecola desiderata. Un computer quantistico permette di fare tutto questo senza dover avere un laboratorio chimico."

Con macchine così particolari e con requisiti così specifici - temperature prossime allo zero assoluto, necessità di isolamento dal mondo esterno e così via - non si può poi non domandarsi su come i computer quantistici verranno utilizzati. Difficile immaginare che ci sia un nuovo Bill Gates che dica "voglio vedere un computer quantistico in ogni casa". Mezzacapo afferma che "l'accesso ottimale a queste macchine è via cloud, perché ci vuole una certa esperienza nel costruirle e manutenerle. IBM è stata la prima a fornire l'accesso via cloud ai computer quantistici e siamo molto fieri di questa cosa." Attualmente IBM ospita 22 computer quantistici nel proprio cloud, dando la possibilità a ricercatori e aziende di accedere in maniera facile a una risorsa che altrimenti sarebbe ottenibile solo da pochi.

Duemila, il secolo del quantum. Rivoluzioni tecnologiche e non solo

Se il Novecento è stato il secolo del silicio, il Duemila sarà il secolo del quantum, perché "sembra essere l'unico modo per attaccare e risolvere certi problemi e questo è il motivo per cui tutti stanno investendo in questo ambito. Se l'IA ha un impatto diretto e ci aiuta ad avere, ad esempio, migliori sistemi di navigazione, il quantum avrà un impatto indiretto tramite le nuove scoperte. Non sarà qualcosa che useremo tutti i giorni, ma sarà qualcosa che avrà un grande impatto sulle nostre vite in maniera indiretta."

Difficile dire, in questo momento, quando il quantum computing sarà in grado di produrre risultati concreti: "la ricerca può stare ferma per anni e poi avere un'esplosione, quindi è difficile fare previsioni. Si può fare un'estrapolazione basata sul passato ed essere ottimisti; in questo caso potremmo dire fra dieci anni. Ma la verità è che la ricerca non è lineare e nessuno sa quando arriveranno risultati."

Se mettiamo insieme i tasselli di questo puzzle arriviamo però a una conclusione: e cioè che sarà tendenzialmente più facile fare ricerca perché sarà meno dispendioso. Più persone e più aziende avranno quindi i fondi necessari per accedere ai mezzi utilizzati per fare ricerca e creare prodotti innovativi, perché le barriere all'entrata saranno più basse. Ciò porterà a una ricerca maggiormente diffusa e quindi a un più alto tasso di innovazione, di cui tutta la società potrà beneficiare. "Questo è proprio uno degli obiettivi che IBM si è prefissata e già ora questo ha portato a oltre 200 articoli scientifici pubblicati grazie alla ricerca effettuata con i computer quantistici con accesso aperto, oltre poi all'accesso dedicato per i clienti paganti."

I chimici saranno sempre meno lo stereotipo della persona che lavora con le provette indossando un camice e sempre più, invece, persone che lavoreranno davanti a un computer, insomma. Mezzacapo ci corregge: "potranno indossare un camice anche mentre lavorano davanti al computer, se avranno nostalgia dei vecchi tempi. È corretto però: si spera che sarà così."

Per chi volesse approfondire ulteriormente la materia, segnaliamo due pubblicazioni cui ha partecipato Mezzacapo: