Nel linguaggio colloquiale e nei mass media, la fisica quantistica è spesso dipinta come una branca della scienza particolarmente astrusa e incomprensibile, tanto da essere impiegata talvolta proverbialmente come la disciplina "difficile" per eccellenza; non sorprende affatto quindi la grande quantità di incomprensioni e mistificazioni intorno a un importante ambito di applicazione della fisica quantistica, ovvero la computazione quantistica.

Nonostante questo argomento venga spesso completamente ignorato o presentato in maniera assai approssimativa dai media generalisti, questa tecnologia è al centro di una vera e propria corsa agli armamenti del nuovo millennio, in cui a competere sono in particolare Stati Uniti e Cina, e che avrà in futuro implicazioni di grande portata, anche se ad oggi ancora difficili da prevedere.

Nel corso di questo articolo, spiegheremo concisamente di che cosa si parla esattamente quando si parla di "computer quantistico", e di che cosa può fare un computer quantistico rispetto a un computer "classico", nelle sue possibili applicazioni negli ambiti militari, scientifici ed economici. Vedremo inoltre i diversi mezzi con cui Stati Uniti e Cina stanno competendo in questo campo, e alcuni possibili sviluppi futuri.

Dunque, cos'è un computer quantistico? Innanzitutto, per "fisica quantistica" si intende una branca della fisica che studia, sia a livello teorico sia a livello sperimentale, le componenti più piccole della materia, quali atomi e particelle subatomiche. A questo livello, le leggi della fisica "classica" non sono in grado di spiegare alcuni dei fenomeni che sono stati osservati sperimentalmente: per spiegarli è nata la fisica quantistica, le cui leggi e fenomeni appaiono talvolta estremamente controintuitivi e quasi incomprensibili in una visione "naturale" del mondo. Un computer viene definito quantistico proprio quando è costruito in modo da poter utilizzare queste proprietà e fenomeni per eseguire calcoli.

Questo ha implicazioni immediate e importanti: ad esempio, laddove la più piccola unità di informazione di un computer "classico" (un bit) si può trovare, in ciascun dato tempo, in uno e uno solo stato determinato (0 oppure 1), il suo corrispondente quantistico (il cosiddetto "qubit", o quantum bit) si può trovare in una sovrapposizione di questi due stati.

Poiché i fenomeni quantistici avvengono su scale di dimensioni così piccole, costruire un computer quantistico dotato di una quantità elevata di qubit è estremamente costoso e complesso: nel momento in cui si volesse costruire un computer programmabile, cioè in grado di essere programmato per eseguire una varietà di calcoli diversi, i costi e le difficoltà tecniche non fanno che aumentare.

Ma se si tratta di una tecnologia così costosa e tecnicamente complessa, per quale motivo è così importante? Semplice: almeno in teoria, le "stranezze" dei fenomeni quantistici permettono a questi computer di eseguire calcoli che sarebbero assolutamente impossibili per un computer classico.

Un esempio è il cosiddetto algoritmo di Shor: si tratta di una procedura di calcolo matematico che, eseguita da un computer quantistico abbastanza potente, sarebbe in grado di "craccare" alcuni dei metodi di crittografia più utilizzati in ambiti, ad esempio, militari e finanziari. In altre parole, avendo a disposizione un computer quantistico abbastanza potente, si potrebbe riuscire a leggere informazioni criptate altamente confidenziali, con implicazioni evidenti - questo significa, in poche parole, che i sistemi crittografici ad oggi in uso presso le maggiori istituzioni statali ed economiche hanno i giorni contati.

Infatti, sebbene ad oggi non sia ancora possibile (per motivi tecnici e ingegneristici) costruire un computer quantistico in grado di implementare l'algoritmo di Shor in questo modo, sono già apparsi esempi sperimentali della cosiddetta "quantum supremacy" (ovvero la capacità dei computer quantistici di surclassare quelli classici): nel 2019, con un esperimento storico, un team di ricercatori di Google ha usato un computer quantistico per completare un calcolo che, secondo le stime di Google, avrebbe tenuto occupato un computer classico (anche dei più potenti) per circa 10.000 anni. Nel 2020, un risultato per certi aspetti ancora più forte è stato raggiunto da un gruppo di scienziati della University of Science and Technology of China.

Proprio a causa dei costi molto elevati che questa tecnologia comporta, sono soltanto due i paesi che stanno trainando lo sviluppo: Stati Uniti e Cina, come accennato in precedenza. In particolare, negli Stati Uniti, a fungere da vero e proprio motore per la ricerca quantistica sono le grandi aziende aziende della Silicon Valley.

Abbiamo già accennato al risultato storico ottenuto da Google nel 2019: usando un sistema basato sullo stesso processore, chiamato Sycamore, la stessa azienda è riuscita a ottenere un altro risultato, che potrebbe avere implicazioni ancora più importanti per la ricerca scientifica.

Altre aziende, quali Amazon, stanno invece puntando sul connubio tra computazione quantistica e cloud computing: nel 2019, proprio Amazon Web Services ha lanciato Amazon Braket, un servizio di cloud computing quantistico che permette di sviluppare e testare algoritmi quantistici. Nello stesso anno, Microsoft ha annunciato il lancio di un analogo sistema chiamato Azure, mentre IBM ha recentemente svelato un vasto piano per favorire l'adozione e lo sviluppo di software quantistici. Queste sono solo alcune delle grandi aziende a stelle e strisce (altre sono Honeywell e la startup basata a Stanford Rigetti Computing) che stanno portando avanti la ricerca oltreoceano, concentrandosi specialmente sulle applicazioni sotto forma di servizi di cloud computing.

L'unico paese in grado di insidiare la tradizionale supremazia tecnologica statunitense è invece la Cina, che per certi aspetti sta adottando un approccio opposto a quello del rivale americano: laddove negli States il settore è trainato da una serie di grandi aziende all'avanguardia, in Cina si è assistito a un pesante investimento statale. Nel 2017, il governo di Xi Jinping ha investito l'equivalente di circa 10 miliardi di dollari USA per la costruzione del National Laboratory for Quantum Information Science, la più grande struttura di ricerca in questo settore in tutto il mondo.

Anche le forze armate cinesi stanno guardando con molto interesse alla computazione quantistica, e grandi aziende statali del settore della difesa come la China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) stanno collaborando con le università per la ricerca. Questo investimento sta portando a risultati concreti: abbiamo già citato l'importante esperimento del 2020, ma diverse aziende e startup cinesi stanno anche producendo numerose applicazioni della tecnologia che vanno al di là dell'ambito puramente sperimentale.

Ad esempio, l'azienda Origin Quantum, finanziata in buona parte dal governo di Pechino, ha lanciato il primo sistema operativo cinese pensato per funzionare su dei computer quantistici. Inoltre, una startup cinese basata a Shenzhen chiamata SpinQ ha recentemente svelato di voler lanciare sul mercato un "desktop computer" quantistico: in altre parole, si tratta di un computer quantistico che potrà essere acquistato da chiunque al prezzo previsto di circa 5.000 $. Sebbene si tratti di un computer dalla potenza estremamente limitata rispetto ai sistemi dei laboratori di ricerca e delle grandi aziende, il prodotto è rivolto a università, istituti di educazione superiore e perfino privati cittadini, che potrebbero usarlo per prendere familiarità con un computer quantistico senza dover passare attraverso i servizi di cloud computing offerti da aziende come Amazon e Google.

La ricerca nella computazione quantistica sta ancora muovendo i suoi primi passi: è impossibile prevedere quale reale portata avranno le sue implicazioni, ed è anche difficile prevedere se siamo davvero sull'orlo di una nuova "rivoluzione quantistica" o se ci vorranno ancora parecchi anni affinché questa tecnologia raggiunga il suo vero potenziale.

Tuttavia, la grande attenzione mostrata verso i computer quantistici su entrambi i lati del Pacifico (nonché la grande crescita del mercato relativo a questo settore) dimostra che l'importanza di questa tecnologia non farà che aumentare: si tratta una vera e propria corsa alle armi che regalerà un enorme vantaggio militare, scientifico ed economico a chi riuscirà a primeggiare.