Fausto Intilla - www.oloscience.com

1. Quantum Computing: stato dell’arte e potenziali sviluppi –
Intervista a Fausto Intilla
In questa intervista (di Riccardo
Viola), Fausto Intilla ci parlerà dei
più recenti sviluppi nel campo della
computazione quantistica, in
relazione ai suoi risvolti nel settore
delle tecnologie quantistiche,
dell’intelligenza artificiale e della
robotica. Cercheremo dunque di
capire in quale direzione la scienza dell’informazione si sta muovendo
in questi ultimi anni e soprattutto, quali sono gli obbiettivi che si
prospettano raggiungibili a breve termine, almeno a livello teorico.
Buona lettura!
R.V.: Buongiorno Fausto e bentrovato anche quest’anno, per una breve
intervista che avremo il piacere di pubblicare su Altrogiornale, su un
argomento che in campo scientifico, grazie ai suoi continui sviluppi
esponenziali, è sempre d’attualità: la computazione quantistica. Ebbene
a che punto siamo oggi? Il computer quantistico rimarrà un sogno
ancora per lungo tempo, oppure ci stiamo finalmente avvicinando alla
concretizzazione di qualcosa d’importante?
F.I.: Purtroppo la ricerca in tale settore va avanti solo a piccoli passi;
passi che tuttavia a volte sono di notevole importanza. Risale infatti a
qualche settimana fa, la notizia che un gruppo di ricercatori della New
South Wales University di Sydney, in Australia, ha realizzato la prima
porta logica a due qubit in grado di completare un’operazione in
0,8 nanosecondi; ovvero ad una velocità duecento volte superiore,
circa, a quella che solitamente si raggiunge con porte logiche a due
qubit basate sullo spin. Si tratta dunque della versione più veloce mai
realizzata finora, di un gate a due qubit in atomi di silicio.
Un gate a due qubit è un'operazione tra due spin elettronici,
paragonabile al ruolo che le porte logiche classiche svolgono
nell'elettronica convenzionale. Per la prima volta, questo gruppo di
ricercatori è stato in grado di costruire un gate a due qubit, posizionando
due qubit atomici vicinissimi tra loro e poi, in tempo reale, osservando
e misurando in modo controllabile i loro stati di spin. In sostanza,
questo risultato ci svela un meccanismo quantistico che consente il
controllo e la lettura dei qubit su nanoscala; ovvero qualcosa che fino a
poco tempo fa, ritenevamo quasi impossibile. Da un punto di vista

2. teorico, ciò che si evince è la possibilità di realizzare un computer
quantistico utilizzando i qubit atomici. La nota dolente tuttavia, sta nel
fatto che per riuscire a realizzare con tale approccio, ad esempio, un
circuito quantistico integrato di soli dieci qubit, non occorreranno mesi,
ma anni. Rimane comunque un aspetto di fondamentale importanza, in
relazione al risultato ottenuto dai ricercatori australiani; ed esso sta nel
fatto che la porta quantistica da essi realizzata e denominata SWAP, è
anche idealmente adatta a spostare le informazioni quantistiche tra i
qubit e inoltre, cosa non da poco, in combinazione con una singola porta
quantistica, consente di eseguire qualsiasi algoritmo quantistico.
R.V.: Stupefacente! Non vi sono altre parole per definire un simile
risultato. A questo punto però, le tue ultime parole mi portano
inevitabilmente alla seguente domanda: Ma il giorno in cui saranno
pronti i primi computer quantistici “degni di nota”, ovvero utilizzabili
negli ambiti più disparati del sapere umano, saremo altrettanto pronti
ad implementare in essi, gli adeguati algoritmi quantistici? Esistono già
tali algoritmi, o debbono ancora essere elaborati? Detta in altri termini,
quando avremo finalmente l’hardware, saremo altresì pronti ad
implementare i software?
F.I.: Purtroppo al momento lo stato dell’arte in tale direzione è ancora
piuttosto deficitario. Tuttavia di recente, qualcosa d’importante è stato
scoperto in relazione ad un potenziale risvolto positivo della situazione.
Risale infatti a pochi giorni fa la notizia che un gruppo di ricercatori
dell’Università di Varsavia, in Polonia, in collaborazione con il NIST e
l’Università di Oxford, è riuscito a dimostrare che l'interferenza
quantistica consente l'elaborazione di grandi serie di dati, più
velocemente e con maggiore precisione rispetto ai metodi standard.

3. I risultati del loro lavoro sono stati pubblicati su Science Advances e
qualcuno già ritiene che potrebbero dare un notevole contributo
all’avanzamento di applicazioni inerenti alle tecnologie quantistiche
legate all’intelligenza artificiale, nonché di quelle relative al campo
della robotica e della diagnostica medica.
È dagli anni Settanta del secolo scorso che continuiamo a processare
dati relativi ad immagini, suoni, segnali radio ed altri tipi
d’informazione con la trasformata di Fourier veloce (FFT, è il relativo
acronimo; dall’inglese: Fast Fourier Transform); che in sostanza è un
algoritmo che ci permette di elaborare qualsiasi segnale digitale. La
tecnologia FFT consente di comprimere e trasmettere in modo
efficiente i dati, archiviare le immagini, trasmettere la TV digitale e
parlare tramite un telefono cellulare. Senza questo algoritmo, i sistemi
di imaging medicale basati sulla risonanza magnetica o sugli ultrasuoni,
non sarebbero mai stati sviluppati. Tuttavia, è ancora troppo lenta per
molte applicazioni esigenti. Ed è questo il motivo che ha spinto molti
scienziati a cercare per molti anni una soluzione alternativa alla
tecnologia FFT, che permettesse velocità operative molto più elevate.
Una soluzione che si è sempre cercata nel campo della meccanica
quantistica. Ebbene finalmente, sembrerebbe che tale soluzione sia stata
trovata. Si tratta infatti della Trasformata Quantistica di Fourier (QFT è
l’acronimo di riferimento; dall’inglese: Quantum Fourier Transform),
che però può essere realizzata solo con un computer quantistico.
Poiché il computer quantistico elabora simultaneamente tutti i valori
possibili (le cosiddette "sovrapposizioni" di stati) dei dati di input, il
numero di operazioni diminuisce considerevolmente. La matematica
descrive molte trasformate e una di queste è la trasformata di Kravchuk.
È molto simile alla FFT, in quanto consente l'elaborazione di dati
discreti (ad esempio digitali), ma utilizza le funzioni di Kravchuk per
decomporre la sequenza di input nello spettro. Alla fine degli anni
Novanta del secolo scorso, la trasformata di Kravchuk fu "riscoperta"
nel campo dell'informatica. Essa si è rivelata eccellente per
l'elaborazione di immagini e suoni. Ha permesso agli scienziati di
sviluppare algoritmi nuovi e molto più precisi per il riconoscimento di
testi stampati e manoscritti (anche in lingua cinese!), gesti, linguaggio
dei segni, persone e volti. Una dozzina di anni fa, è stato dimostrato che
questa trasformata è ideale per elaborare dati di bassa qualità, rumorosi
e distorti; quindi potrebbe essere utilizzata per la visione artificiale in
robotica e nei veicoli autonomi. Non esiste un algoritmo veloce per

4. calcolare questa trasformata; tuttavia si è scoperto che la meccanica
quantistica consente di aggirare questa limitazione.
Il gruppo di Varsavia, in sostanza, è riuscito a dimostrare che la
porta quantistica più semplice, che interferisce tra due stati
quantistici, calcola essenzialmente la trasformata di Kravchuk.
Una simile porta logica, ad
esempio, potrebbe essere
rappresentata da un noto
dispositivo ottico, il beam-
splitter, che divide i fotoni tra
due uscite (output). Quando due
stati di luce quantistica entrano
nelle porte di ingresso (input) da
due lati, interferiscono. Ad
esempio, due fotoni identici, che
contemporaneamente entrano in questo dispositivo, si uniscono
formando una coppia ed escono insieme dalla stessa porta d’uscita.
Questo è il ben noto effetto Hong-Ou-Mandel, che può anche essere
esteso a stati fatti di molte particelle. Interferendo in "pacchetti"
costituiti da molti fotoni indistinguibili (l'indistinguibilità è molto
importante, poiché la sua assenza distrugge l'effetto quantistico), che
codificano l'informazione, si ottiene un computer quantistico
specializzato nel calcolare la trasformata di Kravchuk. Senza entrare
troppo nei dettagli dell’esperimento condotto dai fisici di Varsavia, ciò
che di fondamentale importanza emerge dal loro lavoro, è il fatto
che teoricamente si arrivi alla possibilità di elaborare degli
algoritmi costituiti da una sola operazione, implementata con una
singola porta logica.
R.V.: Dunque a questo punto immagino che occorrerà attendere ancora
parecchio tempo, prima di vedere delle applicazioni concrete basate su
queste nuove scoperte scientifiche.
F.I.: Certamente. Degli avanzamenti concreti da un punto di vista
pratico, suppongo che saranno osservabili solo tra una decina d’anni. Il
risultato attualmente ottenuto da questo gruppo di ricerca, sicuramente
un giorno troverà applicazioni nello sviluppo di nuove tecnologie
quantistiche e di algoritmi quantistici. Si tratta di un risultato che ci
porta oltre le eventuali applicazioni nel campo della fotonica
quantistica, poiché una simile interferenza quantistica può essere
osservata in molti sistemi quantistici diversi. L'Università di Varsavia

5. ha richiesto addirittura un brevetto internazionale per questa
innovazione; dunque si tratta di una scoperta davvero importante, da
qualsiasi punto di vista. È assai probabile quindi che la trasformata di
Kravchuk, un giorno troverà varie applicazioni nella computazione
quantistica; dove diventerà una componente importante per nuovi
algoritmi, specialmente nei computer ibridi quantistici, che uniscono
circuiti quantistici con layout digitali standard.
R.V.: A questo punto la domanda fondamentale allora non è più:
Riusciremo un giorno a costruire un computer quantistico? Bensì
…quando sarà pronto il primo computer quantistico implementabile
con algoritmi quantistici?
F.I.: È una domanda a cui è molto difficile dare una risposta; tuttavia,
se mi costringi a fare una previsione, direi non prima del 2032.
R.V.: Una previsione da parte mia del tutto condivisibile, direi. Grazie
di cuore Fausto per la tua gentile collaborazione e a presto; spero in
occasione di un’altra interessante intervista.
F.I.: Grazie a te Riccardo e un caro saluto a tutto lo staff di AG. Alla
prossima!
22.07.2019