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Tecnologia quantistica: come funziona, applicazioni e perché Stati Uniti e Cina stanno gareggiando per ottenere la supremazia

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Mentre la guerra tecnologica tra Cina e Stati Uniti si riscalda, analizziamo alcuni termini utili, come qubit, sovrapposizione ed entanglement e quali sono i vantaggi di prendere il comando nella corsa quantistica, vantaggi che si estendono alla difesa, alla logistica, alla modellistica e alla sicurezza informatica.

A novembre, il governo degli Stati Uniti ha aggiunto altre 12 società cinesi alla sua lista nera delle esportazioni, citando preoccupazioni per la sicurezza nazionale. Questa volta, anche aziende che si occupano di calcolo quantistico erano tra queste.

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Secondo il dipartimento del commercio degli Stati Uniti, alcune delle aziende aggiunte alla lista nera hanno prodotto “applicazioni malevole, capaci di crackare i sistemi dei sottomarini e di violare la crittografia o sviluppare una crittografia indistruttibile”.

Che cos’è la tecnologia quantistica?

La tecnologia quantistica è un’area complessa della fisica che esplora il comportamento delle particelle subatomiche, particelle più piccole degli atomi, i mattoni fondamentali di tutta la materia. Una delle principali aree di interesse all’interno della tecnologia quantistica è l’informatica quantistica. A differenza di un computer classico, che esegue i calcoli uno alla volta, un computer quantistico può eseguire molti calcoli contemporaneamente.

L’unità di base delle informazioni nell’informatica classica è un “bit”, che rappresenta uno dei due valori binari: zero o uno. Il computer è in grado di interpretare questi valori e rappresentarli in vari formati, comprese parole e immagini. I computer quantistici utilizzano una diversa unità di memoria di base: un qubit, che ha la flessibilità di rappresentare zero, uno o entrambi allo stesso tempo. Questa capacità di un oggetto di esistere in più di una forma contemporaneamente è nota come sovrapposizione.

Le cose si complicano quando più qubit nel computer interagiscono tra loro

È qui che entra in gioco il concetto di entanglement: più particelle in un sistema quantistico sono collegate e si influenzano a vicenda. Ad esempio, se un qubit rappresenta zero, un altro qubit in correlazione con esso assumerà il valore di uno e viceversa, rendendo la misura di ciascun qubit dipendente dall’altro. Poiché le unità informative di base dei computer quantistici possono rappresentare tutte le possibilità contemporaneamente, sono teoricamente molto più veloci e potenti dei normali computer a cui siamo abituati.

I fisici in Cina, ad esempio, hanno recentemente costruito un computer quantistico che secondo loro ha impiegato 1 millisecondo per eseguire un’attività che richiederebbe a un computer convenzionale 30 trilioni di anni.

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Se sono così potenti, perché non tutti i computer sono computer quantistici?

Considerando la nostra ossessione per la velocità nella tecnologia, si potrebbe pensare che l’informatica quantistica dovrebbe essere globalmente diffusa, ormai. Ma finora queste macchine funzionano solo in un ambiente protetto, per brevi periodi e su compiti altamente specifici e commettono molti errori. Quindi, è oggetto di dibattito tra gli scienziati se la “supremazia quantistica” – l’idea che i computer quantistici possano fare meglio delle loro controparti convenzionali, almeno su alcuni compiti specifici – sia mai stata raggiunta.

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Una grande sfida per gli scienziati è ottenere qubit per mantenere la sovrapposizione e l’entanglement abbastanza a lungo da completare un’attività. Gli stati quantistici di sovrapposizione e di entanglement sono estremamente fragili e senza la giusta temperatura e condizioni ambientali, perdono rapidamente le loro qualità e si comportano in modo irregolare.

Per funzionare correttamente, i qubit devono essere conservati in speciali frigoriferi a temperature ultra basse, vicine al punto in cui gli atomi smettono di muoversi. La necessità di attrezzature specializzate è una delle ragioni principali per cui solo i paesi disposti a investire una grande quantità di risorse hanno studiato l’informatica quantistica. Il principale fisico quantistico cinese Pan Jianwei ha stimato in ottobre che ci sarebbero voluti “da quattro a cinque anni di duro lavoro” per correggere gli errori quantistici per due computer quantistici sviluppati dal suo team, prima che potessero cercare di risolvere importanti questioni scientifiche con valore pratico.

Quali sono alcune potenziali applicazioni?

In un articolo pubblicato nel 2020, Pan, il padre del programma satellitare quantistico cinese, ha delineato tre applicazioni per la tecnologia quantistica che il paese stava cercando di sviluppare:
Sensori quantistici che potrebbero rivelare un sottomarino nascosto a centinaia di metri sotto l’oceano, o dispositivi di guida che potrebbero funzionare indipendentemente per mesi senza un segnale GPS;
computer quantistici, che potrebbero eseguire calcoli la cui risoluzione richiederebbe migliaia di anni ai computer ad alte prestazioni attuali, come la crittografia del cracking, in pochi secondi; un internet quantistico che utilizza particelle intrecciate per trasmettere messaggi, portando a comunicazioni ultra sicure.

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Oltre alle applicazioni militari e di sicurezza nazionale, la ricerca quantistica potrebbe aiutare a raggiungere importanti scoperte scientifiche. Ci sono speranze che l’informatica quantistica possa aiutare i ricercatori a sviluppare nuovi farmaci modellando molecole più grandi e complesse molto più velocemente, secondo un rapporto McKinsey del 2021.

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I ricercatori stanno anche studiando le applicazioni climatiche e propongono che le simulazioni di calcolo quantistico ad alta velocità potrebbero aiutare gli scienziati a creare batterie o fertilizzanti più efficienti, o trovare modi per ottimizzare i processi per ridurre le emissioni di carbonio.

Man mano che l’interesse per le applicazioni di calcolo quantistico cresce, i giganti della tecnologia in prima linea nella ricerca e sviluppo, tra cui IBM, Google, Huawei Technologies Co. e Alibaba, società madre del South China Morning Post, hanno fornito piattaforme gratuite alle persone per sviluppare algoritmi quantistici.

Quali paesi sono in testa nella corsa alla tecnologia quantistica?

La Gran Bretagna, l’Unione Europea e gli Stati Uniti hanno tutti pubblicato piani negli ultimi anni per assumere un ruolo guida nella corsa globale alla scienza e tecnologia quantistica. Il programma quantistico nazionale cinese, d’altra parte, è stato avvolto nel segreto fino al 2020, quando ha elencato la tecnologia quantistica come priorità assoluta, insieme ad altre sei aree scientifiche e tecnologiche chiave nel piano di sviluppo quinquennale del paese.

Nel dicembre 2021, un rapporto di Harvard affermava che nell’informatica quantistica, nella comunicazione quantistica e nel rilevamento quantistico – tre aree tradizionalmente guidate dai ricercatori statunitensi – “la Cina sta recuperando terreno e, in alcuni casi, ha già superato l’America”. Entrambi i paesi hanno investito un’enorme quantità di denaro e definito politiche rigorose relative allo studio della tecnologia quantistica.

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Nel settembre 2020, Pan e il suo team hanno affermato di aver raggiunto la supremazia quantistica con una nuova macchina un milione di volte più veloce del record detenuto da Sycamore, un computer quantistico costruito da Google. La Cina ha più di 3000 brevetti relativi alla tecnologia quantistica, circa il doppio degli Stati Uniti, ma è indietro in termini di brevetti specifici per l’informatica quantistica, secondo un rapporto Valuenex del 2021.

Perché gli Stati Uniti sono preoccupati per la ricerca quantistica cinese?

Secondo un rapporto di ricerca del Congresso degli Stati Uniti, l’informatica quantistica potrebbe rappresentare una minaccia per gli attuali metodi di crittografia entro il 2030-2040. La crittografia moderna utilizzata per proteggere le informazioni è quasi impossibile da decifrare per i normali computer, ma i computer quantistici potrebbero farlo con la loro potenza di elaborazione superiore. Ciò potrebbe consentire agli “avversari di ottenere l’accesso a informazioni sensibili sulle operazioni militari o di intelligence degli Stati Uniti”, afferma il rapporto.

Il rapporto ha anche previsto che con miglioramenti sia nell’informatica quantistica che nell’apprendimento automatico, un sottocampo dell’intelligenza artificiale, i paesi potrebbero sviluppare armi più accurate e mortali. La Cina ha già sviluppato apparecchiature quantistiche con potenziali applicazioni militari.

Quest’anno, gli scienziati della Tsinghua University hanno sviluppato un radar quantistico in grado di rilevare gli aerei stealth generando una piccola tempesta elettromagnetica.
Nel 2017, l’Accademia cinese delle scienze ha anche sviluppato un rilevatore di sottomarini quantistici in grado di individuare i sottomarini da molto lontano.

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