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Cos’è davvero un computer quantistico e perché potrebbe cambiare il mondo

Trapelato un articolo scientifico in cui Google afferma di essere riuscita a conseguire la “supremazia quantistica” con un processore superconduttivo. È l’inizio di una rivoluzione attesa da tempo

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(Immagine: Getty Images)

Notizia bomba nel campo dell’informatica quantistica. Trapelata, poi ritirata, ma mai smentita né confermata ufficialmente. La scorsa settimana è apparso su sito della Nasa un paper dal titolo Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, ossia Supremazia quantistica usando un processore superconduttivo programmabile. L’articolo è rimasto online per poche ore (fortunatamente qualche anima pia ha provveduto a salvarlo) ma tanto è bastato a generare una valanga di commenti, controversie, polemiche, supposizioni e speranze tra la comunità degli addetti ai lavori. Questo il succo: Sycamore, il computer quantistico di Google, sarebbe riuscito a conseguire la cosiddetta supremazia quantistica, ossia a svolgere nel giro di pochi minuti, e per la prima volta al mondo, una serie di operazioni che i computer tradizionali impiegherebbero decine di migliaia di anni a svolgere. Abbiamo cercato di capire, con l’aiuto di un esperto, quanto c’è da fidarsi, perché si tratta di una notizia così importante e cosa potrebbe cambiare nel futuro qualora fosse confermata.

Recap: cos’è e come funziona un computer quantistico

Cominciamo dalle basi, anche per sgomberare il campo da ambiguità e incomprensioni. Un computer quantistico sfrutta alcune tra le proprietà più bizzarre e controintuitive della meccanica quantistica per ottenere una potenza di calcolo di gran lunga superiore rispetto a quella di un computer (e di un supercomputer) classico. Come tutti sanno, l’unità minima di informazione di un processore convenzionale è il bit, un’entità binaria che può assumere i valori zero e uno a seconda del passaggio o meno di corrente. Dal canto loro, i processori quantistici usano i qubit, in genere particelle subatomiche come fotoni elettroni, che invece possono immagazzinare molte più informazioni: “I processori tradizionali”, racconta Tommaso Calarco, direttore del Jara-Institute Quantum Information e presiedente dello European Quantum Flagship Network“ammettono solo due stati, lo zero e l’uno, legati al passaggio o al non-passaggio di corrente, cioè di un flusso di elettroni. Nei processori quantistici, invece, ogni singolo elettrone trasporta un’informazione, il che amplifica enormemente la potenza di calcolo”.

Le leggi della meccanica quantistica, infatti, postulano (tra le altre cose) che ogni particella sia soggetta al cosiddetto principio di sovrapposizione, ossia – per dirla rozzamente – si possa trovare contemporaneamente, con probabilità diverse, in più stati differenti. “Il principio di sovrapposizione consente di superare il dualismo acceso/spento e di veicolare molta più informazione: una particella quantistica può rappresentare contemporaneamente più stati”. Il qubit, insomma, permette di parallelizzare i calcoli, cioè di svolgere molte, moltissime operazioni contemporaneamente.

Non sostituirà i computer tradizionali, per ora

Attenzione: quanto detto finora, probabilmente, non vuol dire che nel prossimo futuro i processori classici andranno definitivamente in pensione. Per la maggior parte delle operazioni convenzionali saranno ancora l’opzione più efficiente ed economica: usare un computer quantistico per il rendering di un video o per abbattere i mostri di un videogioco sarebbe come sparare a una mosca con un cannone. Diverso è il caso di settori come la scienza dei materiali, o l’industria farmaceutica, o la fisica delle particelle: in questi scenari un processore quantistico potrebbe davvero cambiare completamente – e per sempre – le regole del gioco, rendendo possibili avanzamenti tecnologici di vastissima portata e difficili da prevedere a priori.

A che punto siamo?

Questi mesi rappresentano una fase cruciale nella storia dello sviluppo dei computer quantistici. Appena pochi giorni prima del leak di Google, Ibm ha annunciato che a ottobre prossimo consentirà a ingegneri, fisici e informatici di accedere da remoto a un computer quantistico a 53 qubit, il più potente mai costruito dall’azienda e il maggiore mai messo a disposizione per uso esterno. La notizia è arrivata a coronamento di sforzi che vanno avanti da anni: nel 2017, come vi avevamo raccontato, gli scienziati di Ibm erano riusciti a simulare con successo un computer quantistico a 56 qubit all’interno di un processore tradizionale con 4.5 terabyte di memoria.

Dal canto suo, invece, Google ha a disposizione Sycamore, un computer a 54 qubit (uno dei quali sembra non funzionare come dovrebbe, e pertanto ne vengono utilizzati 53), e un altro sistema a 72 qubit, che al momento si è rivelato però troppo difficile da controllare. Tutto perché i sistemi quantistici sono estremamente delicati, e particolarmente suscettibili anche a impercettibili interferenze esterne (termiche ed elettromagnetiche, per esempio): “Per dare un’idea della difficoltà enorme di gestire e controllare i computer quantistici”, ci spiega ancora Calarco, “si può pensare ai qubit come ai componenti di un’orchestra chiamata a suonare la nona sinfonia di Beethoven. Però ciascun musicista deve riuscire a farlo con guantoni da boxe alle mani e casco sulla testa. E in una stanza tenuta a novanta gradi di temperatura. È un compito veramente molto, molto difficile”.

Supremazia quantistica vs vantaggio quantistico

Veniamo a Google. Cosa vuol dire supremazia quantistica“Di per sé, si tratta di un concetto molto semplice”, dice ancora Calarco. “Vuol dire riuscire a risolvere, con un computer quantistico, un calcolo che un computer tradizionale non riuscirebbe a risolvere, quantomeno in un tempo ragionevole”. Nella fattispecie, Sycamore è riuscita a dimostrare che una sequenza di numeri casuali è realmente casuale (un problema matematicamente molto complesso) in circa tre minuti e venti secondi; Summit, il supercomputer (tradizionale) più potente al mondo, ci impiegherebbe circa 10mila anni.

“Il problema risolto da Sycamore, in sé, è del tutto inutile, o meglio ha interesse puramente accademico. La sua importanza è legata al fatto che riuscire a risolverlo dimostra una volta per tutte che abbiamo conseguito la supremazia quantistica. È il coronamento di quello che pensavamo fosse solo un sogno, e che ora sappiamo in realtà essere fattibile”. Il prossimo passo, spiega ancora Calarco, sarà passare dalla supremazia quantistica al vantaggio quantistico, cioè all’effettiva progettazione di algoritmi da far svolgere ai computer quantistici del futuro. È come se in questo momento abbiamo mostrato che è possibile costruire una macchina velocissima, ma ci mancano ancora strade, distributori di benzina, infrastrutture. E soprattutto partenze e destinazioni. “È ancora decisamente troppo presto per immaginare tutte le applicazioni. Potrebbero essere davvero sterminate, e strabilianti. I prossimi passi sono anzitutto migliorare ulteriormente l’hardware, arrivando a controllare con precisione sistemi a 100 o più qubit, e poi lavorare allo sviluppo di algoritmi che permettano di arrivare al vantaggio quantistico”. Il futuro ci attende.





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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Cosmo SkyMed 2, cosa farà in orbita il satellite pronto al lancio

Finanziato dall’Agenzia spaziale italiana e realizzato interamente dalla nostra industria, partirà il 17 dicembre da Kourou. Migliorerà il monitoraggio della Terra e delle emergenze ambientali

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Il lancio è previsto alle 9:54 italiane di martedì mattina (foto: Thales Alenia Space

Nel 2008, quello che ha visto del terremoto del Sichuan, in Cina, o del ciclone Nargis in Birmania è stato usato dalle Nazioni Unite e dalle organizzazioni umanitarie durante le operazioni di soccorso e aiuto alla popolazione. Lo stesso contributo, dalla sua orbita eliosincrona a 620 chilometri di quota, la costellazione Cosmo SkyMed l’ha dato quando gli uragani Hannah e Ike hanno devastato Haiti, pochi mesi dopo. Adesso, per i quattro satelliti che dal giugno 2007 osservano la Terra come angeli custodi, è arrivato il momento di evolversi.

Il primo dei due Cosmo SkyMed di seconda generazione, battezzato Csg-1raggiungerà lo spazio nella mattina di martedì 17 dicembre, lanciato da un vettore Sojuz che si staccherà dalla rampa allo spazioporto di Kourou, in Guyana Francese, quando in Italia saranno le 9:54 (Wired seguirà il lancio in diretta).

L’Italia, a proposito, è e rimarrà protagonista di tutta la missioneCosmo SkyMed 2 coronerà infatti il programma di osservazione del nostro pianeta (in gergo, Eo) finanziato interamente dall’Agenzia spaziale italiana (Asi), dal ministero della Difesa e da quello dell’Istruzione, università e ricerca. Un impegno concretizzatosi negli sforzi della torinese Thales Alenia Space – responsabile della fornitura chiavi in mano dell’intero sistema – di Telespazio – che si occuperà dell’infrastruttura di controllo, oltre che della ricezione e della elaborazione dei dati – e in quelli di numerose fra piccole e medie imprese tricolori.

L’arrivo a Kourou, in Guyana Francese, di Cosmo SkyMed 2 (foto: Thales Alenia Space)


È un caso esemplare di come l’attività oltre l’atmosfera abbia ricadute qui, sulla Terra. Certo, economiche – e non è secondario che al recente consiglio dei Ministri dell’Agenzia spaziale europea il finanziamento italiano sia aumentato fino a 2,3 miliardi di euro –, ma soprattutto in termini di impatto sulla vita quotidiana e, nella fattispecie, sulla sua salvaguardia.

Lo strumento di bordo principale di Cosmo SkyMed è infatti un’antenna radar ad apertura sintetica (Sar) che lavora in banda X, ed è quindi in grado di scrutare la Terra a qualsiasi ora del giorno e della notte e in ogni condizione meteorologica. È lo stato dell’arte tecnologico nell’aiuto alla previsione di  frane e alluvioni, nel coordinamento dei soccorsi in caso di terremoti o incendi, e nell’osservazione delle aree di crisi. Non solo: Cosmo SkyMed contribuirà anche al monitoraggio del mare, implementerà l’agricoltura di precisione, la sicurezza e la difesa dei confini.

Il suo radar può operare in modalità spotlight (concentrandosi su un’estensione di pochi chilometri quadrati e osservandola con una risoluzione inferiore al metro), stripmap (guardando una striscia continua di superficie) o scanSar (monitorando un’area di 200 chilometri di lato).

Il radar ad apertura sintetica di Cosmo SkyMed 2 (foto: Thales Alenia Space)


Nel caso della prima generazione, il tempo necessario per configurare la costellazione e ottenere immagini dell’area desiderata variava da 72 ore, in condizioni di routine, a meno di 18 nei casi di emergenza. “Con i nuovi satelliti abbiamo migliorato la capacità di risoluzione radar”, spiega Giampiero Di Paolo, direttore Dominio osservazione e navigazione di Thales Alenia Space, “disponiamo anche di una maggiore rapidità di acquisizione immagini grazie a un sistema di programmazione, trasferimento dati ed elaborazione più potente rispetto ai precedenti. In più abbiamo sviluppato un sistema di controllo termico in grado di dissipare maggiormente la potenza del payload”.

Come i quattro satelliti della prima generazione, i due della seconda – l’ultimo sarà lanciato a dicembre 2020 – sono un sistema duale, cioè progettato per usi civili e militari, e pensato per assecondare le esigenze della comunità scientifica, ma anche dei clienti governativi e commerciali (la vendita dei dati sarà gestita da un’altra italiana, la e-Geos, joint venture di Asi e Telespazio). “A bordo di Cosmo SkyMed – conclude Di Paolo – abbiamo anche un sistema sofisticato di ricezione Gps. È autolocalizzante e sarà fondamentale, soprattutto in casi di emergenza”.

Nel lancio di martedì, Cosmo SkyMed 2 non sarà l’unica tecnologia italiana a partire: nell’ogiva del Sojuz ci saranno anche il dimostratore di nanosatelliti Angels, cui Thales Alenia Space ha fornito lo strumento miniaturizzato ArgosNeo, e Cheopsla sonda cacciatrice di esopianeti dell’Esa, alla cui realizzazione hanno contribuito l’Asi, l’Istituto nazionale di astrofisica e diverse università italiane.





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Un biohacker racconta com’è avere un hotspot impiantato nella gamba

Potenziare il corpo umano attraverso la tecnologia è da sempre un’ambizione per gli innovatori più estremi. Il racconto di chi in prima persona ha deciso di mettersi alla prova

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L’idea di caricare contenuti direttamente nel cervello, o di aprire casa grazie a un chip inserito direttamente nella mano, è certamente affascinante. Ma se per la gran parte della popolazione resta una frontiera lontana, per molte altre persone è già realtà cambiare il proprio corpo attraverso la tecnologia. In questo video, il giornalista di Wired Daniel Oberhaus si confronta con il biohacker Michael Laufer, tra gli inventori del device PegLeg: una svolta sul fronte della privacy, ma anche della conservazione e del trasferimento dei dati.

Laufer ha impiantato PegLeg direttamente nella sua gamba: l’operazione in sé non è così traumatica e non dura moltissimo. Di cosa si tratta? L’inventore lo definisce, con grande semplicità, un hotspot wifi che crea una rete wireless locale a cui possono accedere altri device. PegLegs può naturalmente archiviare un’ampia mole di dati, fungere da server per diverse operazioni e può dialogare con altri suoi simili.

Il creatore di PegLeg spiega quali sono i vantaggi di avere un dispositivo impiantato nel proprio corpo e come, nell’ambito della più ampia cultura hacker, agisca la sottocultura grinder a cui appartiene. Il tema più grande, oltre al potenziamento del corpo umano, è quello della libertà rispetto a terze parti o a provider che possono censurare o strozzare i servizi.

Non manca certo anche un discorso più radicale legato alla piena libertà della persona: per i biohacker il discorso è semplice, e si traduce più o meno nel concetto il corpo è mio, posso fare quello che voglio e non mi spaventa. Anche perché è il prezzo per un mondo migliore, no?





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Come insegnare a un’intelligenza artificiale a essere eticamente corretta

Un team di ricercatori della University of Massachusetts Amherst ha sviluppato un metodo basato su algoritmi chiamati Seldonian in grado di insegnare all’Ai a essere eticamente giusta

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Le stiamo insegnando qualsiasi cosa, dal fare diagnosi a risolvere il cubo di Rubik. Ma ora all’intelligenza artificiale (Ai), a quanto pare, si può insegnare anche ad essere equa e giusta, un requisito, quello dell’etica, fondamentale soprattutto quando si parla di criminalità, pregiudizi o differenze di genere. Basti pensare che, come raccontava Science circa un mese fa, un algoritmo comunemente utilizzato negli ospedali statunitensi per distribuire l’assistenza sanitaria ai pazienti ha sistematicamente discriminato le persone di colore. In altre parole, l’algoritmo aveva meno probabilità di indirizzare le persone di colore rispetto ai bianchi che erano ugualmente malati per programmi mirati a migliorare l’assistenza a pazienti con complesse esigenze mediche.

A porre nuovamente l’accento sul problema dell’etica nel machine learning in uno studio appena pubblicato su Science sono stati i ricercatori della University of Massachusetts Amherst che hanno descritto un nuovo metodo per prevenire ciò che il team di ricerca chiama “comportamento indesiderato” nell’Ai.

Garantire un comportamento sicuro ed equo delle Ai, spiegano i ricercatori, è ancora oggi un problema. “Quando qualcuno applica un algoritmo di machine learning, è difficile controllarne il comportamento”, spiega Philip Thomas, tra gli autori dello studio. “Ma gli algoritmi di apprendimento automatico incidono sempre più sulla nostra vita ed è quindi di fondamentale importanza garantirne l’equità ed evitare danni”. In recente studio, continua l’esperto, sono state elencate 21 diverse definizioni di equità nell’apprendimento automatico“È importante consentire all’utente di selezionare la definizione appropriata per l’applicazione prevista. L’interfaccia fornita con un algoritmo Seldonian consente all’utente di fare proprio questo: definire cosa significa “comportamento indesiderato” per la propria applicazione”.

Il framework appena sviluppato si basa sugli algoritmi chiamati appunto Seldonian, che prendono il nome dal protagonista Hari Seldon della famosa saga di romanzi di fantascienza di Isaac Asimov, il Ciclo delle Fondazioni. Tra le sperimentazioni, il team ha sviluppato proprio un algoritmo Seldonian per prevedere le medie dei voti di 43mila studenti, dimostrandosi in grado di evitare diversi tipi di pregiudizi di genere.

Questi algoritmi non si limitano a garantire un comportamento corretto, spiegano i ricercatori, ma è possibile controllare qualsiasi tipo di comportamento, ad esempio funzioni di sicurezza complesse nei sistemi medici. Ad esempio per controllare una pompa per l’insulina automatizzata e per prevedere in modo sicuro le dosi per una persona in base ai livelli ematici di glucosio.“Se uso un algoritmo Seldonian per trattare il diabete, posso specificare che un “comportamento indesiderato” significa la presenza di livelli di glicemia pericolosamente bassi o ipoglicemia”, spiega l’autore. “Posso, quindi, dire all’Ai: mentre stai cercando di migliorare il controller nella pompa per insulina, non apportare modifiche che aumenterebbero la frequenza dell’ipoglicemia. La maggior parte degli algoritmi disponibili non ti dà un modo per mettere questo tipo di vincolo sul comportamento”.

I ricercatori sottolineano che questi esperimenti servono solo come prova di cosa sono capaci gli algoritmi Seldonian e che il framework può essere usato da altri scienziati come guida per costruire futuri sistemi di intelligenza artificiale“Riteniamo che ci sia un enorme margine di miglioramento in questo settore”, conclude Thomas. “Anche con i nostri algoritmi abbiamo ottenuto risultati impressionanti. Speriamo che gli esperti del machine learning continuino a sviluppare algoritmi nuovi e più sofisticati servendosi il nostro framework, che può essere utilizzato in modo responsabile anche per le applicazioni in cui si considerava l’apprendimento automatico rischioso”.





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