I computer quantistici dovrebbero essere dirompenti e potenzialmente avere un impatto su molti settori industriali. Quindi i ricercatori nel Regno Unito e nei Paesi Bassi hanno deciso di esplorare due problemi quantistici molto diversi:rompere la crittografia di Bitcoin (una valuta digitale) e simulare la molecola responsabile della fissazione dell'azoto biologico.

In AVS Quantum Science , i ricercatori descrivono uno strumento che hanno creato per determinare quanto deve essere grande un computer quantistico per risolvere problemi come questi e quanto tempo ci vorrà.

"La maggior parte del lavoro esistente in questo ambito si concentra su una particolare piattaforma hardware, dispositivi superconduttori, come quelli a cui stanno lavorando IBM e Google", ha affermato Mark Webber, dell'Università del Sussex. "Le diverse piattaforme hardware variano notevolmente in base alle specifiche hardware chiave, come la velocità delle operazioni e la qualità del controllo sui qubit (bit quantistici)."

Molti dei casi d'uso del vantaggio quantistico più promettenti richiederanno un computer quantistico con correzione degli errori. La correzione degli errori consente di eseguire algoritmi più lunghi compensando gli errori intrinseci all'interno del computer quantistico, ma a scapito di più qubit fisici.

Estrarre l'azoto dall'aria per produrre ammoniaca per i fertilizzanti è estremamente dispendioso in termini energetici e i miglioramenti al processo potrebbero avere un impatto sia sulla scarsità alimentare mondiale che sulla crisi climatica. La simulazione di molecole rilevanti è attualmente al di là delle capacità anche dei supercomputer più veloci del mondo, ma dovrebbe essere alla portata dei computer quantistici di nuova generazione.

"Il nostro strumento automatizza il calcolo dell'overhead di correzione degli errori in funzione delle specifiche hardware chiave", ha affermato Webber. "Per rendere più veloce l'esecuzione dell'algoritmo quantistico, possiamo eseguire più operazioni in parallelo aggiungendo più qubit fisici. Introduciamo qubit aggiuntivi secondo necessità per raggiungere il runtime desiderato, che dipende in modo critico dalla velocità delle operazioni a livello di hardware fisico".

La maggior parte delle piattaforme hardware di calcolo quantistico sono limitate, perché solo i qubit uno accanto all'altro possono interagire direttamente. In altre piattaforme, come alcuni progetti di ioni intrappolati, i qubit non sono in posizioni fisse e possono invece essere spostati fisicamente, il che significa che ogni qubit può interagire direttamente con un'ampia serie di altri qubit.

"Abbiamo esplorato come sfruttare al meglio questa capacità di connettere qubit distanti, con l'obiettivo di risolvere i problemi in meno tempo con meno qubit", ha affermato Webber. "Dobbiamo continuare ad adattare le strategie di correzione degli errori per sfruttare i punti di forza dell'hardware sottostante, che potrebbe permetterci di risolvere problemi di grande impatto con un computer quantistico di dimensioni inferiori rispetto a quanto ipotizzato in precedenza."

I computer quantistici sono esponenzialmente più potenti nel violare molte tecniche di crittografia rispetto ai computer classici. Il mondo utilizza la crittografia RSA per la maggior parte delle sue comunicazioni sicure. La crittografia RSA e quella utilizzata da Bitcoin (algoritmo di firma digitale a curva ellittica) un giorno saranno vulnerabili a un attacco di calcolo quantistico, ma oggi anche il più grande supercomputer non potrebbe mai rappresentare una seria minaccia.

I ricercatori hanno stimato le dimensioni che un computer quantistico deve avere per violare la crittografia della rete Bitcoin entro il breve lasso di tempo che rappresenterebbe effettivamente una minaccia per farlo, tra il suo annuncio e l'integrazione nella blockchain. Maggiore è la commissione pagata sulla transazione, più breve sarà questa finestra, ma probabilmente varia da minuti a ore.

"I computer quantistici all'avanguardia oggi hanno solo 50-100 qubit", ha affermato Webber. "Il nostro fabbisogno stimato da 30 [milioni] a 300 milioni di qubit fisici suggerisce che Bitcoin dovrebbe essere considerato al sicuro da un attacco quantistico per ora, ma dispositivi di queste dimensioni sono generalmente considerati realizzabili e futuri progressi potrebbero ridurre ulteriormente i requisiti.

"La rete Bitcoin potrebbe eseguire un 'hard fork' su una tecnica di crittografia quantistica, ma ciò potrebbe causare problemi di ridimensionamento della rete a causa di un maggiore fabbisogno di memoria."

I ricercatori sottolineano il tasso di miglioramento sia degli algoritmi quantistici che dei protocolli di correzione degli errori.

"Quattro anni fa, abbiamo stimato che un dispositivo a ioni intrappolati avrebbe bisogno di un miliardo di qubit fisici per violare la crittografia RSA, richiedendo un dispositivo con un'area di 100 x 100 metri quadrati", ha affermato Webber. "Ora, con miglioramenti su tutta la linea, questo potrebbe vedere una drastica riduzione a un'area di soli 2,5 x 2,5 metri quadrati."

Un computer quantistico su larga scala con correzione degli errori dovrebbe essere in grado di risolvere problemi importanti che i computer classici non possono fare.

"La simulazione di molecole ha applicazioni per l'efficienza energetica, batterie, catalizzatori migliorati, nuovi materiali e sviluppo di nuovi farmaci", ha affermato Webber. "Ulteriori applicazioni esistono su tutta la linea, tra cui per la finanza, l'analisi dei big data, il flusso dei fluidi per i progetti di aeroplani e le ottimizzazioni logistiche".