L’avanzamento del quantum computing ha posto le organizzazioni di fronte a un dilemma urgente: gran parte dei sistemi crittografici che proteggono i dati mondiali rischia di diventare presto obsoleta.
Un’affermazione ancora più vera ora che Microsoft ha annunciato, lo scorso 19 febbraio, Majorana 1, il primo chip quantistico al mondo alimentato dalla nuova architettura Topological Core che, secondo le previsioni, consentirà di realizzare computer quantistici in grado di risolvere problemi significativi su scala industriale entro anni, non decenni.
L’arrivo della crittografia post-quantistica (PQC) ha trasformato quello che era considerato un problema teorico e futuro in una questione di pressante attualità che richiede azioni immediate.
La minaccia quantistica si sta intensificando rapidamente e le organizzazioni che non si preparano adeguatamente rischiano di trovarsi vulnerabili. È fondamentale intraprendere fin d’ora azioni concrete per proteggere i dati criptati e garantire la sicurezza delle informazioni sensibili nell’era post-quantistica.
Il messaggio chiave è inequivocabile: non si tratta più di “se” ma di “quando” la crittografia tradizionale diventerà vulnerabile agli attacchi quantistici. Per le aziende, procrastinare l’adozione di soluzioni post-quantistiche potrebbe rappresentare un errore strategico dalle conseguenze irreparabili per la sicurezza dei propri dati e la continuità operativa.
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Majorana 1: salto in avanti nel quantum computing
Ma perché l’annuncio di Majorana 1 potrebbe rappresentare un enorme salto in avanti nella tecnologia dei computer quantistici?
Oggi i computer quantistici già esistono e rappresentano un progresso tecnologico epocale che avrà grandi impatti sulla nostra società.
Già molte aziende nel mondo li stanno sviluppando, ma ancora è difficile fare una previsione credibile su quando questi computer potranno essere utilizzati effettivamente su larga scala e quando essi andranno a sostituire – almeno in parte – i computer “tradizionali” che noi tutti conosciamo ed usiamo da decenni.
Comprendere in quali tempi i computer quantistici saranno realizzati ed utilizzabili sul mercato è fondamentale, non solo per poterne sfruttare l’enorme potenza computazionale, ma anche – e vorrei dire soprattutto – per prepararci ad affrontarne i rischi e gli impatti sulla crittografia che oggi si usa nelle comunicazioni in rete.
Abbiamo già descritto come questi computer rischiano di mettere in crisi gli algoritmi crittografici (soprattutto quelli di crittografia asimmetrica) e cosa si sta facendo per costruire nuovi algoritmi crittografici quantum-resistent, soprattutto ad opera del NIST che già da anni ha avviato il progetto Post-Quantum Cryptography (PQC) Project.
Lo stato attuale di sviluppo dei computer quantistici
In realtà, lo sviluppo di questi computer non è semplice, perché a oggi essi soffrono di problemi di instabilità: i Qubit (come vengono chiamati gli equivalenti quantistici dei transistor) che li compongono sono costituiti da particelle subatomiche molto delicate e qualsiasi perturbazione dell’ambiente circostante – calore, segnali elettronici e campi magnetici – può danneggiare il loro stato.
Questa criticità di funzionamento è definita decoerenza, quando cioè l’interazione tra i qubit e l’ambiente che li circonda causa il decadimento dallo stato quantistico prima che l’elaborazione sia conclusa, portando a risultati completamente casuali. Un decadimento che può essere causato dalle più piccole vibrazioni – anche una collisione tra particelle d’aria – o da minimi cambiamenti nella temperatura. La decoerenza provoca un “rumore” nei risultati forniti che – appunto – potrebbero non essere coerenti.
Ciò spiega perché molti prototipi di macchine quantistiche vengono posti in stanze criogeniche con temperature vicine allo zero assoluto (circa -273 gradi Celsius).
Quindi, i computer quantistici esistono (almeno a livello sperimentale), sono dotati di decine se non centinaia di qubit e hanno dimostrato che, a certe condizioni, sono in grado di offrire le prestazioni attese, ma non è ancora stato risolto il problema del rumore, che rende i loro risultati non completamente affidabili.
Oggi, il computer quantistico più potente già costruito di cui abbiamo notizia dovrebbe essere Osprey di IBM che utilizza 433 qubit.
Molte grandi aziende come IBM, Google, Microsoft e centri di ricerca come MIT e Harvard stanno lavorando per sviluppare questi computer, con investimenti che nel quantum computing si stima cresceranno fino 500 miliardi di euro entro il 2030.
Ma per sviluppare pienamente il potenziale di questa tecnologia serviranno computer quantistici con centinaia di migliaia o addirittura milioni di qubit e per arrivare a questi numeri potrebbero essere necessari, come minimo, altri dieci anni. Il problema è che, man mano che aumenta il numero di qubit, si riscontrano anche difetti ed errori quantistici.
IBM ha già annunciato che punta ad arrivare ad un sistema da 100.000 qubit entro il 2033 e per questo sta portando avanti ricerche mirate con l’Università di Tokyo e l’Università di Chicago.
Per i motivi che abbiamo illustrato, quindi, lo sviluppo del quantum computing presenta una serie di complessità che non permettono di fare previsioni affidabili. Alcuni esperti hanno affermato che potrebbe arrivare una specie di “inverno quantistico”, cioè un rallentamento nello sviluppo, motivato dalla delusione per i risultati delle ricerche al di sotto delle aspettative.
È perciò evidente che l’annuncio di Microsoft potrebbe rappresentare una svolta fondamentale in questo ambito.
I dettagli del chip Microsoft Majorana 1
Come dicevamo, Majorana 1 è il primo chip quantistico al mondo alimentato dall’architettura “Topological Core”.
Tale chip sfrutta il primo topoconduttore al mondo, un tipo di materiale innovativo in grado di osservare e controllare le particelle di Majorana per produrre qubit più affidabili e scalabili (i qubit sono gli elementi costitutivi dei computer quantistici).
Il topoconduttore, o superconduttore topologico, è una speciale categoria di materiali in grado di creare uno stato della materia completamente nuovo – non un solido, un liquido o un gas, ma uno stato topologico.
Questo viene sfruttato per produrre un qubit più stabile, veloce, piccolo e controllabile digitalmente, senza i problemi riscontrati nelle soluzioni attuali.
“Uno degli aspetti più difficili è stato quello di trovare la giusta combinazione di materiali per produrre uno stato topologico della materia”, ha dichiarato Krysta Svore, technical fellow di Microsoft.
Come è costruito il chip Majorana 1
Al posto del silicio, il topoconduttore di Microsoft è realizzato combinando alluminio (un superconduttore) con arseniuro di indio (un semiconduttore), un materiale quest’ultimo attualmente utilizzato in applicazioni come i rivelatori a infrarossi e che ha proprietà particolari.
Il semiconduttore si sposa con la superconduttività, grazie al freddo: quando vengono raffreddati vicino allo zero assoluto e sintonizzati con campi magnetici, questi dispositivi formano nanofili superconduttori topologici con modalità definita Majorana Zero (MZM).
Le MZM sono gli elementi costitutivi dei qubit, che immagazzinano informazioni quantistiche attraverso la “parità” – se il filo contiene un numero pari o dispari di elettroni. Nei superconduttori convenzionali, gli elettroni si legano in coppie di Cooper e si muovono senza resistenza. Qualsiasi elettrone non appaiato può essere rilevato perché la sua presenza richiede energia supplementare.
I topoconduttori di Microsoft sono diversi: qui un elettrone spaiato è condiviso tra una coppia di MZM, rendendolo invisibile all’ambiente. Questa proprietà unica protegge l’informazione quantistica ed il sistema mostra una stabilità notevole. L’energia esterna, come le radiazioni elettromagnetiche, può rompere le coppie di Cooper, creando elettroni non accoppiati che possono far passare lo stato del qubit dalla parità pari a quella dispari.
Una soluzione per semplificare la correzione degli errori quantistici
Questo sistema semplifica notevolmente la correzione degli errori quantistici (QEC), rispetto alle tecnologie quantistiche tradizionali. La correzione degli errori – come ha dichiarato Microsoft – avviene interamente attraverso misure attivate da semplici impulsi digitali che collegano e scollegano i punti quantici dai nanofili.
In sintesi, e senza addentrarci in dettagli troppo tecnici e di difficile comprensione, l’obiettivo è stato quello di creare nuove particelle quantistiche chiamate Majorane e sfruttare le loro proprietà uniche.
Il primo Topological Core al mondo che alimenta il Majorana 1 è affidabile per progettazione, incorporando una resistenza agli errori a livello hardware che lo rende più stabile, rispetto alle altre tecnologie esistenti.
Alla ricerca di soluzioni per un calcolo quantistico affidabile
Nel settore dell’informatica quantistica si stanno esplorando diversi tipi di qubit fisici come potenziali vie per un supercalcolo ibrido quantistico-classico.
Ma non tutti i tipi di qubit consentono la correzione degli errori quantistici necessaria per rendere il calcolo quantistico più affidabile, con la riduzione del cosiddetto rumore.
E senza un calcolo quantistico affidabile, è improbabile che si possano ottenere soluzioni valide e commercialmente utilizzabili. È per questo essenziale passare dal calcolo con qubit fisici rumorosi a quello con qubit logici affidabili.
Quasi 20 anni fa, Microsoft decise di perseguire un proprio approccio: sviluppare qubit topologici, perché riteneva che potessero offrire qubit più stabili e che richiedevano una minore correzione degli errori, ottenendo così vantaggi in termini di velocità, dimensioni e controllabilità.
Adesso questa sfida scientifica e ingegneristica sta portando i primi frutti.
“Fin dall’inizio volevamo realizzare un computer quantistico che avesse un impatto commerciale, non solo una leadership di pensiero. Sapevamo di aver bisogno di un nuovo qubit.”, ha dichiarato Matthias Troyer, technical fellow di Microsoft.
Questo approccio ha portato la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), agenzia federale che investe in tecnologie innovative importanti per la sicurezza nazionale (e che – vale la pena di ricordarlo – è stata la “madre” di Internet), a includere Microsoft in un programma per valutare se le tecnologie innovative di calcolo quantistico potessero portare alla costruzione di sistemi quantistici commercialmente rilevanti più velocemente di quanto ritenuto possibile.
Microsoft è ora una delle due aziende invitate a passare alla fase finale del programma DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) – uno dei programmi che compongono la più ampia Quantum Benchmarking Initiative della DARPA – che ha l’obiettivo di fornire il primo computer quantistico tollerante ai guasti (fault-tolerant) su scala industriale.
Oltre a realizzare il proprio hardware quantistico, Microsoft ha collaborato con Quantinuum e Atom Computing per raggiungere progressi scientifici e ingegneristici con gli attuali qubit, tra cui l’annuncio, lo scorso anno, del primo computer quantistico affidabile del settore. Questo computer contiene 24 qubit logici.
Cosa possiamo aspettarci
Non è possibile ancora trarre conclusioni, ma come l’invenzione dei semiconduttori ha permesso di costruire i chip e reso possibili gli smartphone, i computer e l’elettronica di oggi, i topoconduttori e il nuovo tipo di chip che essi permettono di realizzare indicano un possibile percorso per lo sviluppo di sistemi quantistici che possono raggiungere un milione di qubit e sono in grado di affrontare e risolvere i problemi più critici.
A tal proposito Chetan Nayak, technical fellow di Microsoft ha dichiarato: “Ci siamo detti: ‘Ok, inventiamo il transistor per l’era quantistica. Quali proprietà deve avere? Ed è proprio così che siamo arrivati a questo punto: è la particolare combinazione, la qualità e i dettagli importanti del nostro nuovo stack di materiali che hanno permesso un nuovo tipo di qubit e, in definitiva, la nostra intera architettura”.
Sempre Microsoft ha dichiarato che “la nuova architettura utilizzata per sviluppare il processore Majorana 1 offre un percorso chiaro per inserire un milione di qubit in un singolo chip che può stare nel palmo di una mano”.
Tutto ciò – se effettivamente realizzabile – rappresenterebbe un “salto quantico” (il termine non è causale…) come già avvenuto nella storia dell’informatica: uno dei primi computer costruito nel 1946, l’ENIAC (Electronic numerical integrator and computer) conteneva 18.000 valvole termoioniche, pesava 30 tonnellate ed occupava una superficie di 180 metri quadrati.
Poi sono stati inventati i transistor che hanno sostituito le valvole termoioniche.
Ed oggi il SoC contenuto nell’iPhone 16Pro ha 19 miliardi di transistor in una dimensione di circa 100 mm2.
Analogamente, Majorana 1, il chip quantistico di Microsoft che contiene sia i qubit che l’elettronica di controllo, può essere tenuto nel palmo di una mano.
L’architettura topologica dei qubit di Microsoft prevede l’utilizzo di nanofili di alluminio uniti insieme per formare una H. Ogni H ha quattro Majorana controllabili e costituisce un qubit. Anche queste H possono essere collegati e disposti sul chip come tante piastrelle.
Questo rende il chip scalabile: oggi Microsoft ha collocato otto qubit topologici su un chip, l’obbiettivo è quello di raggiungere un milione di qubit su un singolo chip.
Questo è possibile grazie ad un’architettura scalabile costruita attorno a un dispositivo a singolo qubit chiamato “tetron”.
Microsoft è quindi riuscita a costruire il primo prototipo fault-tolerant (FTP) al mondo basato su qubit topologici: è sulla buona strada per costruire un FTP di un computer quantistico scalabile in anni, non decenni.
È chiaro che continuare a perfezionare questi processi e far funzionare insieme tutti gli elementi su scala più ampia richiederà altri anni di lavoro ingegneristico. Ma molte difficili sfide scientifiche e ingegneristiche sono state superate, ha dichiarato Microsoft.
