Di Jeremy Cook
Tutti abbiamo sentito parlare dell'argomento: il calcolo quantistico permetterà di creare dei computer che renderanno obsoleti tutti i dispositivi precedenti, di curare le malattie e porre fine alla crittografia. Dovremmo esserne entusiasti o terrorizzati? Questo articolo spiegherà quali sono le basi di questa incredibile tecnologia, le sue applicazioni pratiche, i suoi limiti e come potrebbe effettivamente compromettere il futuro della sicurezza delle informazioni.
Cos'è il calcolo quantistico?
Il calcolo quantistico, secondo la definizione di IBM, "è una tecnologia in rapida espansione che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per risolvere problemi troppo complessi per i computer classici". Mentre la tecnologia informatica classica (ovvero basata su transistor) fonda il processo decisionale su coppie di uno e zero, i computer quantistici utilizzano invece bit quantistici o “qubit” come unità di informazione di base. Ciascun qubit è in grado di gestire molte più informazioni rispetto al funzionamento on/off di un transistor. I qubit interagiscono tra loro tramite un processo noto come entanglement e ciò consente ai computer quantistici di diventare esponenzialmente più potenti con l'aggiunta di ogni singolo qubit.
In base a questo comportamento esponenziale, si consideri che un dispositivo computazionale costituito da 20 bit basati su transistor (1/0) è 20 volte più potente di un singolo bit (relativamente minuscolo dal punto di vista computazionale), mentre 20 bit quantistici sarebbero 2^20 volte (o approssimativamente 1 milione di volte) più potenti di un qubit. Per dirla in un altro modo, dieci qubit entangled equivalgono a 16.000 bit tradizionali, mentre 500 qubit entangled possono memorizzare più valori di quanti siano gli atomi nell'universo conosciuto.
Comprendere davvero questa tecnologia è estremamente difficile. Tuttavia, dopo questa breve introduzione, cerchiamo di considerare le potenziali applicazioni e le implicazioni del calcolo quantistico.
Applicazioni del calcolo quantistico
Negli anni '80, il fisico Richard Feynman ebbe l'idea di utilizzare l'elaborazione quantistica per modellare la fisica quantistica, dando vita sia al concetto di computer quantistico che alla sua prima applicazione teorica. A quanto pare, il calcolo quantistico, che utilizza qubit entangled, è uno strumento eccezionale per l'esecuzione di calcoli matematici meccanici e consente a questo nuovo modello di calcolo di sfornare risposte a problemi che altrimenti sarebbero stati irrisolvibili (o forse è in grado di individuare tutte le risposte contemporaneamente).
Le potenziali applicazioni pratiche del calcolo quantistico includono la crittografia (che analizzeremo meglio nella sezione successiva) e la ricerca di risposte a dilemmi medici che in precedenza erano difficili o impossibili da risolvere. Si consideri la configurazione computazionale distribuita del progetto Folding at Home impiegata durante il culmine del COVID-19, con il quale sono state utilizzate ingenti risorse per aiutare a sviluppare nuove cure. Un computer quantistico potrebbe ridurre i tempi di tali calcoli, se applicato correttamente a tale compito.
I computer quantistici possono anche essere utilizzati per analizzare enormi set di dati genomici, aiutando i medici a personalizzare i piani di cura per varie malattie.
Naturalmente, come con qualsiasi nuova tecnologia, una volta che la si è messa a punto, si trovano sempre nuove applicazioni per cui adottarla. Uno dei limiti del calcolo quantistico oggi è che l'informatica classica ha molti decenni di conoscenze e strumenti software a disposizione per creare soluzioni ai problemi x, y e z. Diversamente, la nostra conoscenza collettiva del calcolo quantistico e il set di strumenti che possiamo utilizzare per esso sono molto più limitati, di conseguenza, sebbene le applicazioni possano essere pensabili, realizzarle (e farlo in modo affidabile, dato che gli errori sono ancora un problema) è una vera e propria sfida.
Allo stesso tempo, i progressi dell'intelligenza artificiale, potenzialmente abbinata al calcolo quantistico, possono aiutarci a superare queste barriere di programmazione. Il calcolo quantistico non è una tecnologia lontana come la fusione. È una tecnologia che funziona già in questo momento. È persino possibile interagire con un computer quantistico tramite l'apposito servizio di noleggio fornito da IBM. Si pensi ad esso come un cloud computing quantistico analogo ai vecchi mainframe, cioè una soluzione di cloud quantistico in cui il computer a transistor in uso interagisce con un hub quantistico centrale, restituendo i risultati così come vengono prodotti.
Sicurezza quantistica
Per violare la crittografia avanzata (a 256 bit) con la tecnologia informatica più avanzata disponibile oggi potrebbero essere necessari miliardi di anni. Il calcolo quantistico, invece, se adeguatamente impostato per questa attività, potrebbe violare tale crittografia in tempi molto più ridotti, rendendo inutili le attuali procedure di sicurezza. Se si esegue un file crittografato tramite un algoritmo quantistico, i segreti al suo interno saranno svelati e resi facilmente disponibili.
Questo problema è più diffuso rispetto, ad esempio, alla violazione dei documenti segreti di una spia. Si consideri che il traffico di rete è normalmente protetto tramite una crittografia a chiave pubblica, che consente al computer in uso e a un server di inviarsi informazioni senza che altri possano decifrarle. Se si elimina la crittografia, tutte queste informazioni (dati bancari, cartelle cliniche, foto del gatto e così via) diventano facilmente visualizzabili. L'infrastruttura alla base della rete diventerebbe molto meno sicura.
Si consideri inoltre che i dati archiviati oggi potrebbero essere decrittografati in seguito. Ciò potrebbe dare teoricamente origine ad attacchi di tipo "Harvest Now, Decrypt Later" (Raccogli oggi, decritta domani), in cui i dati vengono semplicemente intercettati e archiviati finché non è possibile decrittografarli. Gli stati in grado di violare tali livelli di protezione potrebbero ottenere informazioni su sistemi d'arma vecchi di 20 anni e spie in pensione, oppure la tecnologia di decrittazione potrebbe essere pronta molto prima, o addirittura essere disponibile (e tenuta segreta) già ora.
La buona notizia (si spera) è che le aziende stanno già lavorando ad algoritmi resistenti alla crittografia in grado di contrastare i metodi di decrittazione del calcolo quantistico. Ciò non risolve il problema dei dati crittografati che sono già stati intercettati e archiviati illecitamente per un uso successivo, ma potrebbe almeno mitigare questo potenziale problema in futuro. Naturalmente, mentre stabiliamo protocolli di crittografia di sicurezza informatica quantistica, ci si deve chiedere se saremo protetti da qualsiasi cosa verrà dopo. Forse la cripto-agilità, e semplicemente il non essere mai soddisfatti del proprio attuale livello di protezione, dovrebbe essere il tema generale di qualsiasi operazione di sicurezza.
Il futuro del calcolo quantistico: un mondo completamente nuovo… che prima o poi comprenderemo?
Il calcolo quantistico può confondere anche gli ingegneri più esperti. Per non parlare del teletrasporto quantistico, che consente la condivisione delle informazioni tra due qubit entangled a molte miglia/chilometri di distanza (e che, purtroppo, non significa comunicazioni più veloci della luce). Il concetto può sembrare mistico.
La curva di apprendimento necessaria per ottenere una comprensione fondamentale di questa tecnologia rappresenta un enorme ostacolo all'uso diffuso del calcolo quantistico. D'altra parte, come ricordato in un articolo del Wall Street Journal dell'ottobre 2023, si consideri che il motore a vapore è stato inventato molto prima che comprendessimo la termodinamica. Inoltre, esso non fu applicato a una locomotiva fino a un secolo dopo.
Potrebbe il calcolo quantistico, o la combinazione di intelligenza artificiale e calcolo quantistico, seguire un percorso simile, magari utilizzando i suoi strumenti computazionali per il miglioramento continuo e persino per istruire noi semplici esseri umani? O forse tale calcolo continuerà a migliorarsi oltre ciò che possiamo ragionevolmente immaginare. Un futuro del genere potrebbe essere fantastico o distopico, a seconda del futuro fantascientifico in cui si sceglie di credere.
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