L’informatica quantistica si appresta a diventare realtà

Quando si parla di informatica quantistica, molti pensano ancora ai sogni del futuro, agli istituti di ricerca e ai laboratori speciali in cui i nuovi supercomputer vengono utilizzati in ambienti appositamente raffreddati a puro scopo di test. Ma i quantum computer sono in realtà molto vicini all'utilizzo pratico e alcuni sono già in uso.

I sistemi integrabili e distribuibili in modo affidabile come prodotti di serie sono previsti entro la fine del 2030; un simulatore di computer quantistici di livello industriale è già in uso ad Amburgo, mentre a Monaco di Baviera è in funzione anche un primo data center di prossima generazione, che è in realtà un cluster di diversi sistemi. Le aziende possono prenotare il tempo di calcolo quantistico con la società Iqm al prezzo attuale di 1.800 euro all'ora.

L’utilizzo dei computer quantistici è quindi già oggi a portata di mano, grazie all'accesso tramite il "Q-Cloud". Amazon, Google, Ibm e Microsoft, leader nel settore del cloud, stanno investendo complessivamente decine di miliardi di euro e hanno già un numero significativo di sistemi in fase di test. Non appena questa tecnologia sarà ampiamente disponibile, il suo utilizzo si diffonderà rapidamente, ma lo stesso accadrà anche tra i criminali informatici. Le aziende dovrebbero già oggi prepararsi a questo scenario.

È anche improbabile che ogni azienda debba acquistare un proprio computer quantistico. Probabilmente ci saranno modelli di utilizzo molto simili a quelli dell'AI. Le medie imprese possono prenotare risorse nel cloud da grandi hoster ed esternalizzare calcoli complessi, come abbiamo detto che avviene all'Iqm di Monaco, a condizione che la programmazione dei compiti sia stata preparata con una versione adattata ai quanti. Inoltre, si stanno sviluppando anche computer quantistici, alcuni dei quali funzionano anche a temperatura ambiente, ad esempio con la tecnologia dei “diamanti sintetici” (come Quantum Brilliance, Aqt). Questo li rende ancora più facili da usare.

Gli ostacoli per il funzionamento dei computer quantistici possono essere minori di quanto ci si aspetti. Con questo metodo, i difetti in un reticolo di diamante sono utilizzati per implementare elementi che poi “mutano” in qubit. Ma anche i chip di processore basati sul silicio possono essere dotati di qubit, quindi i computer quantistici mobili e facili da installare non sono impensabili.

Calcolo ad alte prestazioni e computer quantistici

Mentre le medie aziende in futuro potranno prenotare le risorse di computer quantistici dagli hoster, le aziende più grandi presumibilmente gestiranno i propri dispositivi. Realtà come Basf si affidano già a sistemi di calcolo ad alte prestazioni ai quali saranno collegati i sistemi più avanzati. Il big tedesco gestisce il più grande cluster Hpc dell'industria chimica in Europa. Questo dimostra quanto sia importante poter integrare i computer quantistici nei moderni data center esistenti.

Naturalmente, questo è possibile solo se l'infrastruttura esistente è in grado di farlo. In futuro, le aziende utilizzeranno la tecnologia quantistica in vari ambiti, non solo nei data center. I sensori quantistici, ad esempio, sono rilevanti per gli impianti industriali poiché molto più precisi e veloci dei modelli convenzionali. Ciò consente di implementare il monitoraggio e il controllo in tempo reale in modo più efficace rispetto a prima. La quantistica può, quindi, portare la tecnologia a un nuovo livello in molti settori, non solo nel calcolo dei compiti computazionali. Questa rivoluzionaria tecnologia dei sensori misura e valuta direttamente o indirettamente le proprietà gravitazionali, nucleari ed elettromagnetiche.  

I computer quantistici e l'intelligenza artificiale possono trarre vantaggio l'uno dall'altro in molti modi grazie ai rispettivi punti di forza. L'apprendimento automatico basato su grandi quantità di dati e algoritmi complessi può essere notevolmente accelerato da algoritmi adatti al sistema quantistico, soprattutto nell'ottimizzazione e nell'addestramento dei modelli. L'intelligenza artificiale, a sua volta, può essere utilizzata per migliorare lo sviluppo e l'implementazione di algoritmi quantistici riconoscendo modelli e suggerendo soluzioni ottimizzate. La combinazione di quantum computing e intelligenza artificiale consentirà progressi rivoluzionari in settori come la crittografia, la scienza dei materiali e l'industria.

I vantaggi per le energie rinnovabili e le reti elettriche

Le energie rinnovabili e i fornitori di energia possono trarre notevoli vantaggi dall'uso di computer quantistici, soprattutto nell'ottimizzazione di sistemi complessi e nel miglioramento dei modelli predittivi.

I computer quantistici sono in grado di elaborare in parallelo e simultaneamente grandi quantità di dati in tempo reale, come le condizioni meteorologiche, la domanda di energia e il carico della rete, facendo previsioni precise per la produzione di energia da fonti eoliche, solari e altre fonti rinnovabili. Ciò consente un'integrazione più efficiente delle energie rinnovabili nelle reti elettriche esistenti e riduce al minimo le fluttuazioni causate dalla natura imprevedibile di queste fonti energetiche. Inoltre, gli algoritmi quantistici possono contribuire a ottimizzare la distribuzione e l'immagazzinamento dell'energia, identificando gli scenari ideali per l'utilizzo delle batterie di stoccaggio o per la distribuzione dell'energia in eccesso. I fornitori di energia beneficiano quindi di un approvvigionamento energetico più stabile ed efficiente, riducendo al contempo i costi e le emissioni di CO₂.

Prevenire i blackout: l’ottimizzazione anche nelle reti elettriche

I computer quantistici non richiedono necessariamente grandi quantità di energia, ma possono addirittura contribuire a risparmiarne. Per i calcoli dell'intelligenza artificiale, i modelliquantistici sono chiaramente superiori ai computer convenzionali con i migliori processori odierni in alcune aree. È necessario esaminare se essi possono essere utilizzati, ad esempio, per salvare interi banchi di moduli nei data center. Le basi per questo, come la configurazione di cluster ibridi composti da Qc e Hpc, devono essere create ora.

Oltre a ottimizzare le reti elettriche per evitare blackout imminenti, i computer quantistici possono eseguire la modellazione in tempo reale per prevedere e prevenire fluttuazioni di carico, guasti o interruzioni. Insieme all'intelligenza artificiale, questo apre numerose possibilità che non possono essere raggiunte con i computer di oggi. I computer quantistici possono automatizzare e coordinare i sistemi di controllo a un livello di prestazioni completamente diverso rispetto al passato. Il miglioramento dei flussi di energia elettrica, anche nel campo delle energie rinnovabili, consentirà ai computer quantistici di mantenere le reti elettriche più stabili in futuro. Anche i grandi fornitori di energia sono quindi in attesa di una sufficiente capacità di calcolo quantistico e hanno creato i propri programmi e dipartimenti a questo scopo.

Oltre alle opportunità, i computer quantistici espongono anche a pericoli che si presenteranno nei prossimi anni ma che sono già rilevanti oggi: lo standard attuale nelle tecnologie di crittografia per il traffico e l'archiviazione dei dati può essere compromesso con i computer quantistici in breve tempo. Se i criminali informatici utilizzano la potenza di calcolo quantistica insieme all'intelligenza artificiale, si crea un enorme potenziale di rischio per le organizzazioni. Perché? A differenza dei computer tradizionali, che memorizzano le informazioni in bit come 0 o 1, quelli quantistici lavorano con i cosiddetti qubit, che possono trovarsi in una sovrapposizione di più stati. Questa sovrapposizione consente di eseguire molte operazioni di calcolo contemporaneamente, aumentando in modo significativo l'efficienza in alcuni problemi complessi. Tale principio può essere utilizzato anche per attacchi di intensità brutale su pacchetti di dati criptati. Inoltre, i computer quantistici utilizzano anche l'"entanglement", in cui i qubit sono correlati tra loro in processi speciali indipendentemente dalla loro posizione spaziale. Questi effetti consentono ai computer quantistici di elaborare un numero esponenziale di stati in parallelo e di generare in breve tempo risultati che non sono ottenibili con i computer binari digitali.

Si consiglia, quindi, alle aziende di affidarsi alla cosiddetta crittografia post-quantistica, che utilizza tecnologie speciali che non possono essere decifrate nemmeno dai computer quantistici. Il National Institute of Standards and Technology (Nist) degli Stati Uniti sta portando avanti la standardizzazione di tali algoritmi e ha già selezionato diversi candidati per soddisfare gli elevati requisiti di sicurezza ed efficienza. Anche il Bsi si occupa della questione da anni. L'Università della Ruhr di Bochum è coinvolta nella ricerca ed è uno degli istituti più importanti al mondo in questo campo. Ciò significa che esistono già standard per la crittografia post-quantistica a prova di investimento. Le aziende dovrebbero agire il prima possibile.

Molti si chiedono perché si faccia già tanto rumore per la crittografia, anche se i computer quantistici non sono ancora largamente disponibili. Secondo il concetto di “harvest now, decrypt later” o “store now, decrypt later”, gli aggressori possono già oggi intercettare e memorizzare dati criptati, nell'attesa che in un prossimo futuro vengano sviluppati potenti computer quantistici. A quel punto i dati aziendali sensibili saranno ancora preziosi. Gli aggressori fanno quindi affidamento su un'ampia gamma di furti di dati oggi, anche se non sono ancora in grado di decifrare il materiale, perché presumono che la situazione cambierà presto! Per questo motivo, le aziende che operano in settori critici dovrebbero avvicinarsi velocemente al mondo dei computer quantistici.

Anche il settore militare sta conducendo ricerche su reti sicure dal punto di vista quantistico con un diverso focus tecnologico. Si tratta di ridondanza, ad esempio tra sedi distribuite, nonché di hardware e software altamente sicuri. In molti luoghi si sta già lavorando su scenari con computer quantistici e sul loro utilizzo sicuro nelle reti. In sintesi, i motivi non sono solo i pericoli posti da questa nuova generazione di computer, ma anche le enormi opportunità che offrono alle aziende ed enti di tutte le dimensioni e in tutti i settori.

I computer quantistici necessitano di condizioni-quadro ottimali

In futuro, le aziende potranno far svolgere i compiti di nuova formulazione ai computer quantistici, scoprendo così il potenziale inimmaginabile di queste macchine ad alte prestazioni, oltre al risparmio sui costi. I calcoli meteorologici e climatici in combinazione con l'intelligenza artificiale sono un campo di applicazione fondamentale. Tuttavia, i clienti finali non beneficiano solo di questi casi. Una compagnia aerea tedesca sta progettando di ottimizzare l'assegnazione dei gate negli aeroporti per ridurre i tempi di attesa dei passeggeri e quindi velocizzare il check-in. Questo potrebbe portare a una notevole ottimizzazione, soprattutto negli hub.

A causa della loro complessità e sensibilità, la maggior parte dei computer quantistici viene utilizzata in grandi datacenter, dove la qualità del cablaggio e le caratteristiche dello spazio fisico, la protezione dalle vibrazioni e dalle interferenze elettromagnetiche giocano un ruolo importante. Inoltre, le fibre ottiche sono un fattore importante per la connessione e l'interconnessione dei computer quantistici. La struttura appropriata di un'infrastruttura dati passiva e attiva, la progettazione di centri dati con un allineamento speciale di compartimenti adatti e la rete di un sistema di computer quantistici complessi sono pietre miliari importanti per un'integrazione di successo. Anche in questo caso le aziende dovrebbero già pianificare come affrontare l’argomento.

Il funzionamento dei computer quantistici può essere in parte paragonato a quello dei mainframe, una tecnologia consolidata dagli anni Settanta. I requisiti sono simili, anche se con alcune differenze, soprattutto per i sistemi a bassissima temperatura e ad alto vuoto. Tuttavia, si può affermare che decenni di esperienza con i sistemi di computer mainframe offrono vantaggi anche per il futuro funzionamento senza preoccupazioni dei computer quantistici. Le aziende dovrebbero sfruttarla come patrimonio di conoscenze. I colli di bottiglia presto si presenteranno non tanto nella disponibilità dell'hardware corrispondente, quanto piuttosto nel personale addestrato a supportare, stabilire e monitorare questa tecnologia rivoluzionaria e a comprenderla in modo approfondito!

All'inizio dell'era dei computer quantistici in Europa e nel mondo intero, l'investimento in risorse umane e nella sensibilizzazione a questo cambiamento epocale è il primo passo. Il “cambiamento di paradigma verso la quantistica” è già iniziato. L'invenzione più epocale dell'umanità dopo la ruota e la padronanza del fuoco, come dicono profeticamente alcuni addetti ai lavori, ha raggiunto le prime tappe. Il nostro viaggio nell'era dei quanti sta per iniziare.