Articolo Quantum Computing

Quantum Computing

Un possibile percorso di studio per conoscere l’argomento

Articolo pubblicato il 01/07/2020 Da Donata Petrelli e rilasciato con licenza CC BY-NC-ND 3.0 IT (Creative Common – Attribuzione – Non commerciale – Non opere derivate 3.0 Italia)


Dall’epoca dei computer grandi quanto una stanza agli attuali smartphone la tecnologia ha fatto passi da gigante. Tuttavia, oggi, questo stato dell’arte sembra non bastare. In generale i limiti sono di due tipi: di spazio e di tempo. Da un lato non è possibile ridurre ancora i circuiti elettronici integrati, dall’altro i calcoli sono comunque eseguiti uno alla volta; le due condizioni impediscono di raggiungere velocità di calcolo necessarie a risolvere problemi complessi.

L’idea rivoluzionaria per risolvere queste problematiche viene dalla fisica o meglio dalla fisica quantistica, e cioè applicare la teoria dei quanti ai computer! Con l’avvento del calcolo quantistico e dei computer quantistici i limiti del tradizionale processore possono essere superati e la tecnologia si può affacciare a nuovi scenari e scoperte. Ecco perché studiare il Quantum computing è importante per essere attivi spettatori del prossimo epocale cambiamento.

Questo breve articolo propone un ipotetico percorso di studio che, partendo dalle basi, porta ad una conoscenza più approfondita e pratica dell’argomento, includendo anche suggerimenti utili per poter ampliare contenuti verticali collegati al Quantum computing.

Buona lettura!

Cosa è il Quantum computing

Per superare i limiti dei moderni processori occorre un cambiamento di paradigma e pensare ad un nuovo modello di calcolo sottostante. Come spesso succede, il nuovo modello può essere preso ad esempio da un altro diverso settore o disciplina.

L’osservazione delle leggi della fisica quantistica ha condotto al nuovo modello su cui si basa il Quantum computing: simulare il comportamento dei quanti per far sì che lo stato della memoria possa trovarsi in una sovrapposizione di diversi possibili stati “classici”. Il Quantum computing dunque permette di trasformare la memoria computazionale da un insieme finito si stati fisicamente distinti l’uno dall’altro e rappresentati convenzionalmente dalle cifre 0 e 1, a una sovrapposizione di questi stati di tipo classico.

I computer quantistici si basano su questo nuovo modello di calcolo. Grazie ad essi si è passati dall’informazione binaria, rappresentata dai singoli stati “aperto” e “chiuso” di un interruttore, all’informazione quantistica, rappresentata dallo stato di un atomo che può esistere in una sovrapposizione di stati. L’unità di misura del Quantum computing è il quantum bit o Qubit, in grado di codificare lo stato quantico dell’atomo.

Il modello quantistico, su cui si basa il Quantum computing, amplia in maniera esponenziale le possibilità di rappresentare le informazioni.

L’importanza per il futuro

La possibilità offerta dal modello di calcolo del Quantum computing diventa determinate per la risoluzione di molti problemi complessi che attualmente richiedono ingenti risorse, sia in termini economici che tecnici che temporali, per la loro risoluzione.

Anche se siamo solo agli albori di questa tecnologia e della sua applicazione (ci sono ancora molti problemi da risolvere ed errori da correggere), il Quantum computing potrebbe portare ad una vera e propria rivoluzione informatica ed a nuove scoperte in molti campi. Lo dimostra il fatto che sempre più importanti aziende hanno deciso di investire pesantemente nella ricerca per lo sviluppo di computer quantistici come Google, IBM, Microsoft ed Intel. La stessa IBM ha creato una piattaforma di calcolo quantistica per permettere di fare esperimenti e simulazioni sul processore quantistico.

Le prime applicazioni di questa tecnologia saranno probabilmente quelle che richiedono un numero più esiguo di Qubits. Ad esempio quelle in campo medico per la diagnostica e per la ricerca farmacologica.

Non possono di certo mancare l’Intelligenza Artificiale, il Machine Learning e l’analisi dei Big Data in generale. La possibilità di addestrare reti neurali tramite computer quantistici consentirebbe tempi di apprendimento esponenzialmente più rapidi di quelli attuali, aprendo a scenari che ad oggi non possiamo neanche immaginare se non come trame di film di fantascienza!

L’applicazione del Quantum computing in queste discipline avrà effetti sulla ricerca scientifica e, di conseguenza, in quei settori il cui sviluppo dipende da essa, come la finanza.

Perché studiarlo

Il naturale svolgimento dell’esistenza è quello di mutare ed evolversi costantemente. Così siamo chiamati ad essere sempre aggiornati e preparati il più possibile ai cambiamenti.

Senza necessariamente dover diventare esperti in materia è quindi auspicabile per tutti noi conoscere i principi di funzionamento del Quantum computing se vogliamo essere attivamente presenti nella prossima imminente rivoluzione tecnologica.

Come oramai l’Intelligenza Artificiale “classica” fa parte del nostro quotidiano, così il Quantum computing ha tutti i requisiti necessari per far fare “il salto quantico” all’Intelligenza Artificiale e permettere il passaggio al suo livello successivo.  Essere informati, conoscere l’argomento ed il funzionamento, valutare eventuali rischi e pericoli ed anche i futuri benefici che porterà il Quantum computing, ci permette di essere padroni e protagonisti del nostro futuro.

Un ipotetico percorso di studio

Come tutte le materie affascinanti c’è sempre l’aspetto complesso da tenere in considerazione. Di seguito un elenco di letture che vorrei consigliare per affrontare il Quantum computing in modo lineare e didattico, partendo da un approccio più leggero e stimolante fino, progressivamente, a quello più approfondito, sia dal lato teorico che pratico. Cominciamo.

Per iniziare, una valida e semplice introduzione alla materia è l’ottimo libro di Raffaele Mauro dal titolo “Quantum computing”

Successivamente, per un maggior approfondimento, il libro di Chris Bernhardt : “Quantum Computing for Everyone”

Per chi fosse interessato allo studio del Quantum computing applicato all’Intelligenza Artificiale, occorre un tipo diverso di approccio, in quanto, oltre alle conoscenze di meccanica quantistica, sono necessarie anche quelle proprie dell’Intelligenza Artificiale. Fa al caso il libro di un mio caro amico Denis Rothman , “Artificial Intelligence By Example” (2nd Edition), dove c’è un intero capitolo in cui si affronta il Quantum computing.

Continuando nello studio, un approccio molto evoluto ma con un taglio più pratico, è dato dal libro di Jack D. Hidary : “Quantum Computing: An Applied Approach”.

Infine, per i più appassionati di tecnologia che amano “sporcarsi le mani”, ci si può cimentare nel libro “Programming Quantum Computers: Essential Algorithms and Code Samples” dei tre autori Eric R. Johnston , Nic Harrigan e Mercedes Gimeno-Segovia

Questo è un percorso didattico tra i tanti perseguibili, pensato comunque per il migliore rendimento possibile e tenendo conto dei diversi background formativi e professionali dei molti lettori. Sicuramente l’argomento ha poi moltissime sfaccettature e ciascuna porta ad approfondire un determinato argomento verticale.

Una conoscenza orizzontale, su cui si basa il Quantum computing stesso, è la meccanica quantistica, argomento a complemento di uno studio completo del Quantum computing.

Altre Fonti

Oltre allo studio dei libri sopra citati o altri che trovate interessanti per il vostro percorso professionale e personale, consiglio di leggere anche materiale accademico, spesso alla base di ricerche scientifiche applicate poi dalle aziende. Eccone alcuni:

http://groups.di.unipi.it/~dipierro/Didattica/QC05/LezioniQC-05.pdf

https://amslaurea.unibo.it/7707/1/Mariano_Antonio_Lorenzo_Computer_e_simulazioni_quantistici.pdf

https://www.math.upenn.edu/~ted/210S14/References/Shor.MAN.pdf

https://webthesis.biblio.polito.it/11984/1/tesi.pdf

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/61/2/002/meta

https://www.pnas.org/content/95/19/11032

Terminiamo quindi con alcuni articoli provenienti dai centri di ricerca interni alle stesse aziende che investono nel Quantum computing come Google, IBM, Microsoft ed ENI.

Google research

https://storage.googleapis.com/pub-tools-public-publication-data/pdf/bfdfe44561fe3fc4650286901a5d678d07f84c9d.pdf

https://storage.googleapis.com/pub-tools-public-publication-data/pdf/8340af379b0557243be2b4ce909d1b488cd3e86e.pdf

https://storage.googleapis.com/pub-tools-public-publication-data/pdf/5dc59b7f00e2338d1888ab52df771a7cf72fd5b6.pdf

IBM

https://it.newsroom.ibm.com/2019-03-06-ibm-presenta-il-sistema-quantistico-tecnicamente-piu-performante-che-sia-mai-stato-costruito-e-stabilisce-una-roadmap-per-raggiungere-il-quantum-advantage

https://it.newsroom.ibm.com/2019-01-09-ibm-q-system-one-il-primo-sistema-di-calcolo-quantistico-integrato-per-uso-commerciale

https://it.newsroom.ibm.com/2017-03-06-IBM-costruisce-i-primi-computer-quantistici-universali-per-imprese-e-comunita-scientifica

Microsoft

https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2020/05/04/microsoft-quantum-researchers-pin-down-largest-quantum-speedup-for-unstructured-problems/

https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2020/03/27/new-physics-discovery-microsoft-quantum-topology-with-a-twist/

https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2020/02/26/cryptography-quantum-computers/

ENI

https://www.eni.com/en-IT/scientific-research/first-quantum-computer.html

https://www.eni.com/en-IT/technologies/quantum-challenge.html

Conclusioni

Questo articolo è un supporto a chi vuole conoscere il Quantum computing e non sa come fare e da dove cominciare. Naturalmente è un mio suggerimento di un piano formativo che sia comunque progressivo e, nei limiti, interdisciplinare. Ciascuno poi dovrà adattare l’iter in base al suo livello esistente di preparazione e conoscenza ed estenderlo o modificarlo in base alle sue reali esigenze.

Il mio intento è quello di aiutare chi è all’inizio e stimolare uno studio continuo e costante per tutti… spero di esserci riuscita 🙂


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