Quest’anno, 2025, i Premi Nobel per la Fisica sono andati a tre scienziati, due europei e un americano, che lavorano in California: John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis.  Le loro ricerche degli ultimi decenni sono risultate essenziali per lo sviluppo dei computer quantistici, in cui tante speranze sono riposte. Per la verità il Nobel di quest’anno era in qualche modo dovuto, dato che ricorrono i 100 anni dalla formulazione prima dei principi della meccanica quantistica, da parte di Werner Heisenberg, e anzi molti si sono meravigliati che i tre scienziati non siano stati presi inconsiderazione prima, ma si sa anche la scienza ha le sue “mode” e per almeno tre decenni la fisica delle particelle, oggi in crisi, ha tenuto banco.

La premiazione dei tre ha portato alla ribalta il tema dei computer quantistici, su cui tante speranze sono risposte, data la capacità di calcolo letteralmente incredibile di cui si pensa saranno capaci. Aiuteranno a risolvere molti problemi e migliorare le nostre conoscenze, di base e industriali, in campi che vanno dalla finanza alla farmacologia, dall’intelligenza artificiale alla sicurezza informatica.

Due importanti specifiche, da fare subito: la prima è che, per la loro costituzione di base, i computer quantistici sono esponenzialmente più veloci di quelli che usiamo oggi, tanto da rendere possibili calcoli che ci costerebbero oggi un tempo molto maggiore di una vita umana; la seconda, per lo stesso motivo, è che non tutti i calcoli sono possibili con questi computer, come invece siamo abituati a pensare con i nostri attuali PC, in sostanza sono iperveloci ma molto specializzati.

COMPUTER “NORMALI” E COMPUTER QUANTISTICI 

Per capire la differenza e perché i computer quantistici sono così tanto più performanti è meglio ricordare i concetti che stanno alla base del funzionamento dei due tipi, così diversi fra loro.

In entrambi i casi è fondamentale capire come viene rappresentata l’informazione, dato che un computer, alla fine dei conti, è una macchina che prende da noi dei dati e li elabora secondo le istruzioni che abbiamo somministrato assieme ai dati. La vera capacità di qualunque tipo di computer esistente è quella di fare i calcoli, elaborazione, a una velocità incredibile per noi, in entrambi i casi che stiamo illustrando.

Nei computer convenzionali, come il nostro PC, l’informazione viene rappresentata in codice binario, cioè usando solo 0 e 1. L’informazione elementare è quindi questa, che chiamiamo bit. In ogni posizione di memoria può esserci uno 0 o un 1. Ovviamente non c’è affatto il numero 0 o l’1, ma la presenza o assenza di un segnale. Nei primissimi tipi di memoria si usavano, giusto per fare un esempio, delle piccolissime calamite che rappresentavano lo 0 e l’1 tramite due differenti direzioni del campo magnetico che possedevano in quel momento.

A noi resta un poco ostico questo modo di rappresentare numeri e lettere, si intende con degli insiemi di bit, ma è molto efficiente; generalmente poi come unità di base si usa il byte, che è una stringa cioè un insieme ordinato, di 8 bit che può rappresentare 128 stati o numeri diversi, in binario. Per capirlo facilmente basta moltiplicare, per due, 8 volte: 2,4,8,16….128.

I misteriosi “giga”, che le compagnie telefoniche ci offrono, un tempo centellinandoli e oggi invece abbondando, sono questo: 1 miliardo, Giga, di bytes. Noi siamo abituati a ragionare con una logica a 10 livelli, il nostro sistema di numerazione, infatti, va da 1 a 10, o da 0 a 9 se si preferisce, anche se questa differenza meriterebbe un libro di filosofia della matematica per capirla appieno. Ma in effetti ne usiamo altri di sistemi di numerazione, senza pensarci, per esempio se abbiamo un orologio al polso usiamo in effetti un sistema in base 12, quanto rimane di un vecchio sistema di numerazione, mentre i francesi per indicare il numero 80 dicono “quatre-vingt”, 4 volte venti, motivo simile al precedente.

Un computer convenzionale esegue istruzioni e manipola dati codificati in 0 e 1 attraverso circuiti elettronici formati da transistor miniaturizzati, in numero enorme, per avere un’idea, in una unità centrale I7, come quella del PC su cui viene scritto questo articolo, ci sono più di 100 milioni di transistor per millimetro quadro.

Sempre a grandi linee, il componente critico di un computer classico è la CPU, Central Processing Unit, o unità centrale di processo. E questo elemento che riceve e interpreta le istruzioni e modifica i dati o le informazioni che trova nei byte che gli sono trasmessi. Per farlo accende o spegne i propri transistor per compiere, ad altissima velocità, le operazioni binarie, sostanzialmente addizioni di insiemi di bytes. È il cervello del computer.

Se nessuno passa le informazioni alla CPU ovviamente questa non fa nulla se non controllare sé stessa, egualmente se non è possibile comunicare a noi i risultati delle operazioni compiute il computer è piuttosto inutile: ecco perché sono fondamentali due sezioni ulteriori del nostro computer, l’input e l’output. Quasi inutile fare esempi, tanto sono diversi i dispositivi inventati per queste due operazioni, comunque sono le interfacce tra il computer e il mondo esterno, compresi noi stessi: tastiera mouse, monitor, stampante, presenti in mille variazioni diverse.

 

La CPU, poi, prende i dati e immagazzina i risultati, temporanei o meno che siano nella Memoria Temporanea, RAM, Random Access Memory o Memoria ad accesso casuale, molto veloce per non rallentare la CPU. La RAM però e volatile e quindi utilizziamo anche memorie permanenti o di massa, come dischi o memorie a stato solido, ma meno preziose della RAM.Il ciclo di lavoro è molto semplice ma, come detto, viene eseguito ad altissima velocità, milioni o miliardi di volte al secondo.  La CPU riceve un’istruzione dall’esterno, tramite la memori RAM, la decodifica per capire, diciamo così, se sia una addizione o altro, opera quanto prescritto su eventuali dati, anche questi passati dalla RAM, poi consegna il risultato alla RAM stessa. Questo schema essenziale, anche troppo, ci fa capire comunque le operazioni principali e la necessità di operare di scomporre qualunque problema in operazioni elementari, perché la caratteristica del computer è la velocità con cui può farle. Ovviamente è il sistema software, sempre più sofisticato e completo, a farlo per noi, e questo ci permette di eseguire, calcoli, scrivere un documento, visualizzare immagini, ricevere un segnale di allarme e così via.

I COMPUTER QUANTISTICI

Per passare ai computer quantistici ritorniamo ai tre premiati con il Nobel in Fisica con cui abbiamo aperto l’articolo. John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis hanno dimostrato con le loro ricerche che fenomeni tipici della meccanica quantistica, come l’effetto tunnel e la quantizzazione dell’energia, sono tipici della dimensione chiamata dell’infinitamente piccolo, atomi e loro struttura interna, ma possono manifestarsi ed essere controllati anche in casi macroscopici, visibili a occhio nudo, utilizzando per realizzarli materiali superconduttori.                              

Per citare proprio la motivazione “Il loro sistema elettrico superconduttore può passare da uno stato all’altro con l’effetto tunnel. Hanno anche dimostrato che il sistema assorbe ed emette energia in dosi di dimensioni specifiche, proprio come previsto dalla meccanica quantistica».

In pratica, senza i loro studi teorici oggi non potremmo avere smartphone, macchine fotografiche a stato solido, superconduttori e mille altre attrezzature che usiamo quotidianamente, magari senza saperlo. E questo la dice lunga sull’importanza della ricerca di base.

Anche questa volta diamo una semplificazione estrema per cercare di illustrare quel abbiamo appena detto.

L’effetto tunnel, alla base delle scoperte, è effettivamente qualcosa che contrasta al 100% con la nostra esperienza: se ci mettiamo davanti a un muro e ci lanciamo contro una pallina da tennis, questa sbatte e ci ritorna indietro. Nel mondo quantistico invece se al posto della pallina c’è una particella, un elettrone per esempio, e il muro è una barriera di potenziale, che secondo la meccanica classica dovrebbe mandarci indietro la particella, tanto quanto fa il muro con la pallina, abbiamo una probabilità che la particella oltrepassi il muro, come ci fosse un tunnel che glielo permette. Tutto qui, si fa per dire.

In quel mondo poi l’energia può essere assorbita ed emessa solo a livelli definiti, come se gli elettroni percorressero i gradini di una scala e solo quando sono in questo o quel gradino possano assorbire o emettere energia.

II due fondamentali effetti, combinati, permettono di lavorare sui superconduttori, mettere in riga, possiamo dire, gli elettroni in un sistema elettrico e realizzare in un chip un sistema quantistico, base fondamentale di tutti i sistemi di calcolo quantistici, cui si sta lavorando in tutto il mondo, dagli Usa alla Cina, passando per l’Europa.  Grazie al lavoro dei tre Nobel 2025 è stato possibile capire come costruire quello che, in analogia a quanto detto nel caso dei computer tradizionali, è alla base di questi particolarissimi computer: il qubit.

Un computer quantistico, infatti, funziona utilizzando i qubit, quantum bit, invece dei bit tradizionali. La differenza fondamentale, fonte della potenza dei Quantum computer, e anche delle difficoltà connesse, è che i qubit possono essere sia 0 che 1, grazie alla sovrapposizione degli stati permessa dalla meccanica quantistica. Il processo richiede però condizioni di controllo molto rigorose, come temperature vicine allo zero assoluto per garantire stabilità e coerenza.

La realizzazione dei primi qubit basati su circuiti superconduttivi è comunque aperta e imprese come IBM e Google hanno già sviluppato piattaforme hardware che permettono di sviluppare computer quantistici.

Questi nuovi computer sono estremamente promettenti, ma non mancano i problemi aperti. I qubit, che abbiamo visto, sono le unità fondamentali, sono molto fragili e risentono dell’ambiente, portarli temperature bassissime aiuta, ma non risolve del tutto il problema. A differenza dei bit, che utilizzano un’elettronica piuttosto stabile, i qubit sono instabili e necessitano di una continua correzione degli errori, che ovviamente toglie risorse di calcolo, e ci sono poi problemi con lo sviluppo del software, ancora all’inizio e il fatto che lo sviluppo dell’hardware in serie industriale è di là da venire.

La loro utilità è comunque fuori di dubbio e per questo l’interesse è massimo, sia a livello scientifico che industriale. Vediamo a volo d’uccello cosa potremo fare in alcuni campi chiave della nostra vita.

La disponibilità di computer quantistici avrà un notevole impatto, ad esempio, nel settore della finanza, dato che permette, almeno sulla carta, di sviluppare strumenti oggi impensabili, gestire e analizzare grandi quantità di dati, elaborare scenari complessi in poco tempo.

L’analisi e l’ottimizzazione dei portafogli finanziari subirà un miglioramento impensabile: sarà infatti possibile analizzare miliardi di variabili e combinazioni per aumentare i rendimenti e ridurre i rischi.

Proprio la gestione del rischio è uno dei campi che più si avvantaggeranno della disponibilità di computer quantistici: la loro potenza di calcolo impressionante rispetto ad oggi permetterà di simulare e analizzare al meglio scenari economici, fluttuazioni di mercato e crisi ricorrenti, saranno, in altre parole, strumenti fondamentali per banche e assicurazioni. In Usa, soprattutto banche e istituzioni finanziarie, come Bank of America, insieme ai più grandi sviluppatori di tecnologia quantistica, IBM e Google in primis, sono tra i principali investitori e promotori dell’utilizzo del quantum computing in finanza, attraverso collaborazioni, progetti sperimentali e investimenti diretti. Si aspettano grandi risultati anche nel trading ad altissima frequenza, nelle previsioni incredibilmente più precise del mercato e nell’analisi di possibili frodi. Uno dei campi, infine, in cui avrà maggiore impatto il quantum computer è senz’altro la crittografia dei dati e la sicurezza.

VANTAGGI E SVANTAGGI

Prendiamo l’ultimo esempio qui sopra riportato, la crittografia, per indagare se, oltre agli innegabili e importanti benefici dovuti alla velocità di questi nuovi computer, possiamo aspettarci anche degli svantaggi.

Ricordiamoci che la crittografia è la tecnica che trasforma un messaggio, o dati, leggibili in un formato codificato che può essere letto o decifrato solo da chi possiede una chiave segreta per decodificare o autorizzazione. Ora possiamo capire come sicuramente avremo dei vantaggi significativi perché potremo crittografare i dati in un modo tale che un computer classico non possa decodificarli, per farlo dovrebbe avere un tempo che tende all’infinito.

Tuttavia, la stessa proprietà dei computer quantistici, senza entrare in dettagli complessi, potrebbe essere usata per decodificare messaggi e dati prodotti da terze persone e questo mette a rischio dati sensibili e infrastrutture critiche, esponendoli ad attacchi cyber oggi neanche immaginabili. Si sta lavorando molto in questa direzione per risolvere il problema.

L’impatto sulla finanza, appena accennato, è solo un esempio della rivoluzione che ci aspetta e che vedrà irrompere quantum computing ed Intelligenza artificiale in tutti i campi della nostra vita.

FINISCE QUI ?

Nuovi orizzonti insperati quindi, grazie alla Tecnologia, ma la Scienza, che è spesso benevolmente beffarda, si prende la rivincita e ci avvisa già dei limiti. La matematica insegna infatti che alcuni problemi, anche apparentemente semplici, come calcolare se sia possibile coprire un piano infinito con un dato insieme di tessere a motivi geometrici, non sono computabili, in altre parole nessun programma per computer sarà mai in grado di risolvere tali problemi in ogni caso.

Accanto ai problemi non computabili ci sono quelli intrattabili, che sono si computabili ma richiederebbero trilioni di anni per la soluzione, esempio semplice: posso garantire che la mia mossa in una posizione qualunque negli scacchi mi farà vincere?

Problemi della vita quotidiana poi sono ottimizzabili, e bene, ma non risolubili, attenzione, in generale: il più famoso è quello di determinare il percorso più breve che consenta a un commesso viaggiatore di visitare diverse città.

Prepariamoci alla rivoluzione.