Da Zero al Quantum

Sovrapposizione

A livello quantistico, i sistemi fisici possono esistere in più stati contemporaneamente. Finché il sistema non viene osservato o misurato, occupa tutte le posizioni contemporaneamente. Questo principio centrale della meccanica quantistica permette ai computer quantistici di utilizzare l'intero potenziale del sistema, dove tutti i possibili risultati esistono simultaneamente in un calcolo. Nel caso del quantum computing, i sistemi utilizzati possono essere fotoni, ioni intrappolati, atomi o quasi-particelle.

Interferenza

Gli stati quantistici possono interferire con altri stati quantistici. L'interferenza può assumere la forma di annullamento dell'ampiezza o di aumento dell'ampiezza. Un modo per visualizzare l'interferenza consiste nel pensare di lasciar cadere due sassi in uno specchio d'acqua nello stesso momento. Quando le onde di ogni sasso si incrociano, creano picchi e avvallamenti più forti nelle increspature. Questi schemi di interferenza permettono ai computer quantistici di eseguire algoritmi completamente diversi da quelli dei computer classici.

Intreccio

A livello quantistico, sistemi come le particelle si intrecciano, rispecchiando il comportamento l'uno dell'altro, anche a grandi distanze. Misurando lo stato di un sistema intrecciato, un computer quantistico può "conoscere" lo stato dell'altro sistema. In termini pratici, ad esempio, un computer quantistico può conoscere il movimento di spin dell'elettrone B misurando lo spin dell'elettrone A, anche se l'elettrone B si trova a milioni di chilometri di distanza.

Qubit

Nel computing classico, i calcoli sono costituiti da combinazioni di binari noti come bit. Questa è la base delle limitazioni del computing classico: i calcoli sono scritti in un linguaggio che può avere solo uno dei due stati in un dato momento: 0 o 1. Con il quantum computing, i calcoli vengono scritti nel linguaggio dello stato quantistico, che può essere 0 o 1, o qualsiasi proporzione di 0 o 1 in sovrapposizione. Questo tipo di informazione computazionale è noto come "bit di computer quantistico" o Qubit.

I qubit possiedono caratteristiche che permettono alle informazioni di crescere in modo esponenziale all'interno del sistema. Con più stati che operano simultaneamente, i qubit possono codificare enormi quantità di informazioni, molte più di un bit. Per questo motivo, è difficile sopravvalutare la potenza di calcolo della quantistica. L'aumento della potenza di calcolo dei qubit combinati cresce molto più rapidamente di quanto avviene nel computing classico e, siccome i qubit non occupano spazio fisico come i chip di elaborazione, è molto più facile arrivare a capacità di calcolo infinite, secondo alcune misurazioni.

Tipi di computer quantistici

Per capire il quantum computing bisogna comprendere i principi che governano il comportamento del movimento, della posizione e delle relazioni quantistiche.

Indipendentemente dalla tipologia, l'hardware del quantum computing è molto diverso dalle server farm del supercomputing. Il calcolo quantistico richiede che le particelle vengano poste in condizioni tali da poter essere misurate senza essere alterate o disturbate dalle particelle circostanti. Nella maggior parte dei casi, ciò significa raffreddare il computer stesso fino a raggiungere lo zero assoluto e schermare le particelle Qubit dal rumore utilizzando strati d'oro. Considerato che gli attuali computer quantistici richiedono condizioni così delicate e precise, devono essere costruiti e realizzati in ambienti altamente specializzati.

Oggi, una delle principali forme di crittografia digitale è la RSA (Rivest-Shamir-Adleman), nota in generale come crittografia a chiave pubblica. L'algoritmo RSA è stato illustrato per la prima volta da Rivest, Shamir e Adleman nel 1977, e a distanza di decenni rimane un sistema di crittografia eccezionalmente forte e comprovato.

L'RSA si basa su due chiavi digitali che si combinano per formare un grande numero primo. I computer classici possono facilmente moltiplicare due numeri noti per calcolare un prodotto primo, ma sono invece strumenti poco capaci per l'operazione inversa. Infatti, faticano a utilizzare il calcolo binario a forza bruta per ricavare due fattori dal prodotto primo. In breve, gli attuali algoritmi RSA sono essenzialmente codici non violabili, perché anche i più potenti supercomputer non possono calcolare il valore delle chiavi entro un tempo ragionevole. L'attuale crittografia RSA a 2048 bit potrebbe essere decifrata dal supercomputer più veloce in circa 300 trilioni di anni.

È qui che entra in gioco la minaccia del quantum computing. Il fatto che i computer quantistici possano analizzare tutte le probabilità simultaneamente senza tracciare un percorso lineare, significa che possono "saltare" il metodo di un percorso alla volta dei computer classici e arrivare a un calcolo accurato entro un tempo ragionevole. I computer quantistici sono perfettamente in grado di dividere grandi numeri primi in fattori corretti, decifrando di fatto la RSA. Le previsioni sul prossimo futuro del quantum computing indicano che la crittografia RSA si potrà decifrare in mesi e che i computer quantistici più avanzati potrebbero essere in grado di decifrare l'RSA in ore o addirittura minuti.

Quantum computing

Il termine forse più abusato nell'ambito del quantum computing è "Post-Quantum Computing", abbreviato in "PQC" Questo termine ha generato confusione, perché utilizza lo stesso acronimo della "Post-Quantum Cryptography". Tuttavia, il "Post-Quantum Computing" è qualcosa che non esiste nel mondo dei computer quantistici. Un computer quantistico è il termine completo per indicare la macchina, mentre il quantum computing descrive il campo e il processo. Anche quando esisteranno macchine avanzate ed estremamente utili, si tratterà sempre di computer quantistici, non di computer post-quantistici.

Crittografia quantistica

La crittografia quantistica condivide le sue basi di meccanica quantistica con la crittografia post-quantistica, ma non è la stessa tecnologia crittografica della PQC. La crittografia quantistica, utilizza la natura dell'imprevedibilità per crittografare e decrittografare i dati, con informazioni codificate direttamente nei qubit stessi. Attualmente, la versione più conosciuta della crittografia quantistica utilizza le proprietà dei qubit per proteggere i dati in modo da produrre errori dei qubit se si cerca di decifrare le informazioni senza autorizzazione. Questa forma di crittografia quantistica funziona come un sensore di allarme su una porta o una finestra. L'accesso non autorizzato fa scattare l'allarme.

Crittografia post-quantistica (PQC)

La crittografia post-quantistica opera su equazioni matematiche, proprio come la crittografia del computing classico. La differenza sta nella complessità delle equazioni. Nella PQC, la matematica sfrutta le proprietà quantistiche per creare equazioni così difficili da risolvere che nemmeno i computer quantistici possono "saltare" alla soluzione corretta. Uno dei vantaggi della PQC è che si basa su equazioni altamente irrisolvibili. Siccome condivide la stessa struttura di base dell'attuale crittografia classica, può essere utilizzata con metodi simili a quelli dell'attuale crittografia all'avanguardia e può proteggere gran parte dei sistemi odierni.