L’informatica quantistica garantisce la sostituzione dei processi informatici tradizionali con cicli operativi più veloci

Che influenza potrebbe avere l’informatica quantistica sulla logistica?

10 gennaio 2022

L'informatica quantistica si sta facendo strada poco a poco nel mondo attuale. I computer quantistici sono passati da essere il futuro dell’informatica ad essere sempre un po’ più vicini a diventare una realtà. Questi super computer utilizzano le regole della meccanica quantistica, cioè, quel ramo della fisica che studia il comportamento della luce e della materia su scala atomica e subatomica, per superare le limitazioni dell’informatica classica.

Ma quali applicazioni può avere questa nuova informatica nella logistica? Con l’aiuto della quantistica si potrebbe ottenere, ad esempio, un ultimo miglio realmente efficiente? La crisi della Supply Chain potrebbe essere stata evitata o, almeno, ridotta al minimo con questa tecnologia?

La fisica quantica

La meccanica quantistica (o fisica quantica) nacque come tale nel 1900 quando il fisico tedesco Max Planck teorizzò che la luce viene trasmessa in forma di piccoli “pacchetti” di energia che denominò “quanti”. Questo concetto si evolse e trovò la sua interpretazione matematica con i contributi di altri scientifici come Albert Einstein, Werner Heisenberg o Erwin Schrödinger. Quest’ultimo, nel 1929, definì il comportamento delle particelle atomiche come un’onda di probabilità e ciò derivò nel popolare paradosso del gatto di Schrödinger. A partire da questo punto lo studio della quantistica progredì rapidamente e oggi le applicazioni di questa teoria sono molto presenti nella nostra vita quotidiana: microprocessori, risonanze magnetiche, illuminazione LED, sono solo alcuni esempi.

Secondo la meccanica quantistica, lo stato-posizione di una particella è complementare a uno stato-momento, perciò, una particella può stare in molteplici stati simultaneamente. Il Professore del Dipartimento di Fisica dell’Università di Harvard, David Morin, lo descrive così: “Nella meccanica quantistica, le particelle hanno proprietà ondulatorie e un’equazione dell’onda in concreto, l’equazione di Schrödinger, regola il comportamento di queste onde”.

Cos’è l’informatica quantistica?

La computazione quantistica consiste nell’applicare le leggi della meccanica quantistica nell’ambito dell’informatica. Secondo quanto afferma il Professore di Scienza Quantistica Lee Spector nel suo libro Advances in Genetic Programming: “L’informatica quantistica è un campo dell’informatica che utilizza le dinamiche degli oggetti su scala atomica per immagazzinare e manipolare le informazioni".

In altre parole, questa tecnologia parte dai principi di sovrapposizione della materia e la correlazione quantistica per sviluppare la capacità dei computer. L’informatica mette a disposizione dei computer algoritmi molto più efficaci a livello numerico, dotando il sistema di maggior capacità di calcolo rispetto a un computer tradizionale.

L’informatica quantistica potrebbe moltiplicare la velocità dei dispositivi che utilizzano tecnologie come il machine learning o i big data
L’informatica quantistica potrebbe moltiplicare la velocità dei dispositivi che utilizzano tecnologie come il machine learning o i big data (Foto: Quantum Computer - IBM, sotto licenza CC BY 2.0)

L’idea dell’informatica quantistica nasce all’inizio degli anni ottanta quando il fisico americano Paul Benioff espose il suo primo modello teorico di computer quantico. Parallelamente a Benioff, un altro fisico statunitense, Richard Feynman, indicò nel suo studio Simulating Physics with Computers la necessità di progettare computer quantistici per poter realizzare esperimenti di meccanica quantistica in modo digitale.

Dal bit classico al qubit

I qubit (dall’inglese, quantum bit) sono l’unità d’informazione usata nell’informatica quantistica. A differenza del classico bit binario, che ammette solo i valori 0 o 1, un qubit ammette uno stato indefinito di 0, 1 o qualsiasi proporzione di 0 e 1 sovrapposta.

Potendo sviluppare contemporaneamente funzioni di 0 e 1 mediante i bit quantistici, l’informatica quantistica aumenta notevolmente la velocità di esecuzione: “I qubit sono l’unità d’informazione più piccola processabile nell’informatica quantistica, cioè, un sistema di meccanica quantistica bidimensionale che permette di combinare allo stesso tempo la codifica classica dei bit d’informazione (0 e 1)”, dichiara Román Orús, Professore della Johannes Gutenberg University in Germania, nella rivista accademica Reviews in Physics.

I qubit sono l’unità d’informazione usata nell’informatica quantistica
I qubit sono l’unità d’informazione usata nell’informatica quantistica

In funzione del numero esatto di bit quantistici, questi computer possono eseguire calcoli in meno spazio e a una velocità irraggiungibile da un computer classico. Microsoft, azienda leader nella realizzazione del software quantistico, spiega che, ad esempio, l’informazione contenuta in 500 qubit equivale a più di 2500 bit classici.

Attualmente, esistono già i computer quantistici sul mercato: la multinazionale nordamericana IBM ha lanciato il suo primo computer quantistico commerciale nel 2019, che unisce l’informatica quantistica con quella tradizionale. Presentato come il primo computer quantistico per lavorare fuori da un laboratorio, possiede una struttura stagna di più di 3 metri di lunghezza e un sistema di 20 qubit.

Vantaggi (e svantaggi) dell’informatica quantistica

Il principale vantaggio dell’informatica quantistica è il suo maggior potere di calcolo. In comparazione con i bit classici, i qubit potenziano la capacità di calcolo in modo esponenziale garantendo processi più rapidi: “I computer quantistici possono creare ampi spazi multidimensionali dove rappresentare problemi di grande complessità, che sarebbero insostenibili persino per i super computer”, afferma IBM.

Questa tecnologia, tuttavia, continua a presentare alcuni svantaggi. I super computer quantistici non apportano ancora la flessibilità necessaria: l’aumento di qubit in questi computer implica che il sistema sia più propenso agli errori. Perché? Come spiega Microsoft, “Il collegamento del sistema qubit con il suo ambiente, inclusa la configurazione delle misurazioni, potrebbe facilmente alterare il sistema e produrre decoerenza”.

Questo non è l’unico inconveniente dell’informatica quantistica: i computer quantistici hanno bisogno di lavorare in ambienti molto freddi (-273 ºC). Attualmente, questi computer richiedono che i materiali superconduttivi stiano a questa temperatura per garantire un buon funzionamento. Nonostante ciò, sono già in corso progetti per cercare di limitare questo svantaggio.

Applicazioni di un computer quantistico

L’informatica quantistica potrebbe migliorare la velocità di risposta di tecnologie che sono sempre più presenti nel nostro quotidiano: Internet delle Cose Industriali, Big data o blockchain. Come espone Petter Wittek nel suo libro What computer means to data mining, “Mediante la manipolazione di particelle a livello subatomico si accelerano i processi di machine learning, che permettono di moltiplicare la velocità di ricerca dei computer nel loro database”.

Sulla stessa linea si trova lo studio Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, pubblicato sulla rivista Nature: “Con i computer quantistici certe attività di calcolo potrebbero essere eseguite molto più rapidamente in un processore quantistico piuttosto che in uno tradizionale”.

Questo incremento della velocità dei computer potrebbe apportare vantaggi in molti campi, dall’investigazione e alla diagnosi di patologie cliniche, fino alla meteorologia, i cui studi di previsione ne aumenterebbero l’affidabilità grazie all’analisi simultanea di molteplici modelli dell’informatica quantistica: “La meccanica quantistica ha favorito grandi progressi in alcuni campi molto specifici della medicina e dispone del potenziale per rivoluzionare la ricerca medica e le cure cliniche”, sottolinea Dmitry Solenov, Professore della Saint Louis University (Stati Uniti), in una ricerca pubblicata sulla rivista scientifica Missouri Medicine. “Poiché i computer moderni hanno saturato in gran parte la loro potenza di calcolo e non crescono più esponenzialmente come nel secolo scorso, l’informatica quantistica, se dovesse diventare realtà, sarebbe la tecnologia più promettente per ottenere grandi progressi in processi che, attualmente, sono fuori dalla portata della potenza di calcolo esistente”, conclude Solenov.

La computazione quantistica incrementerebbe il rendimento degli strumenti che operano per mezzo dell’intelligenza artificiale
La computazione quantistica incrementerebbe il rendimento degli strumenti che operano per mezzo dell’intelligenza artificiale

L’informatica quantistica nella logistica

L’informatica quantistica potrebbe offrire molteplici possibilità nel campo della logistica. I computer quantistici integrerebbero i processori attuali, aumentando la rapidità dei dispositivi che lavorano con tecnologie come il machine learning o l’intelligenza artificiale.

Come segnala un report dell’agenzia di consulenza internazionale Accenture, “I computer quantistici possono fornire informazioni sicure agli algoritmi di machine learning. Ogni iterazione di nuovi dati può aiutare l’intelligenza artificiale nell’apprendimento”.

Nel campo della logistica, la pianificazione delle rotte sarebbe una delle grandi avvantaggiate dall’implementazione dei super computer quantistici. L’informatica quantistica permetterebbe una migliore applicazione della simulazione dei magazzini, analizzando tutti i percorsi possibili e scegliendo quelli più efficienti, tenendo in considerazione tutte le varianti.

La simulazione delle rotte non è l’unico campo dove l’implementazione dell’informatica quantistica potrebbe beneficiare il rendimento logistico di un’azienda. Velocizzando la simulazione degli scenari, i computer quantistici potrebbero arrivare ad essere in grado di creare delle supply chain più resilienti.

Informatica quantistica, una tecnologia con un potenziale sconvolgente

I computer quantistici mirano a stabilire processi informatici più veloci, capaci di risolvere, nel giro di alcuni minuti, ciò che non si potrebbe risolvere con computer bit binari. Questa tecnologia potrebbe cambiare il funzionamento di molti ambiti della nostra vita, inclusa la logistica. Questo è uno dei motivi per cui la Commissione Europea ha lanciato recentemente il progetto Quantum Technologies Flagship, il cui obiettivo è quello di posizionare l’Unione Europea in testa alla ricerca nell’informatica quantistica.

L’informatica quantistica non è semplicemente una tecnologia in più da tenere presente nei prossimi anni. Come conclude l’Agenzia di consulenza McKinsey nel suo ultimo studio A game plan for quantum computing: “I computer quantistici hanno il potenziale di essere una tecnologia innovativa e sconvolgente, capace di imporsi velocemente e produrre un impatto inatteso. Coloro che non vogliono essere presi alla sprovvista dall’informatica quantistica, possono già iniziare a preparare il suo arrivo”.