FONTE: UIBM
S.Marini
QUANTUM COMPUTING - Febbraio 2023
Si sente spesso parlare di Computer Quantistici e delle loro incredibili capacità di elaborazione dati. Per capire perché queste nuove macchine computazionali siano così importanti, tuttavia, è necessario introdurre qualche nozione di base sulla Quantistica, quella branca della Fisica che ha da circa un secolo e più ha svelato un mondo che mai avremmo potuto immaginare. Per prima cosa è importante ribadire che la Quantistica non è una mera speculazione mentale - pur essendo basata su di una matematica veramente complicata. Esiste, funziona, la utilizziamo da decenni per creare la maggior parte delle soluzioni tecnologiche che abbiamo intorno a noi ma, e qui le cose si complicano, non capiamo perché funziona. Possiamo calcolare, progettare ed ideare strumenti e servizi grazie alla matematica che domina le leggi quantistiche, manipolando materia ed energia, ma non sappiamo quale sia il motivo profondo del suo esistere. Fino ad un secolo e mezzo fa si credeva che tutta la realtà dell'Universo fosse dominata dalle leggi di Galileo, Newton e le estensioni di Einstein con la Relatività ristretta e generale, poche e - relativamente - semplici regole che descrivono come la materia si comporta intorno a noi. Uno dei vantaggi della Fisica Classica è che le sue leggi sono intuitive e fanno parte della nostra esperienza sensoriale: se una boccia da biliardo colpisce un appendiabiti è probabile che l'appendiabiti rimanga in piedi, ma se una boccia da bowling colpisce alla stessa velocità l'appendiabiti è molto probabile che cada. Anche se non si è a conoscenza dei principi relativi alla massa inerziale, la conoscenza di fenomeni simili fa parte dell'esperienza percettiva che misura e descrive il mondo con il quale interagiamo, sempre. L'idea di base è che dimezzando ogni volta la massa della boccia da bowling, facendola diventare prima delle dimensioni di una palla da biliardo, poi di una pallina da golf etc. le leggi della Fisica avrebbero sempre potuto descrivere il comportamento della materia e misurarla, simularla etc. indipendentemente dalla scala metrica, anche nell'estremamente piccolo. Quello che invece è risultato dall'osservazione su scala atomica è che queste leggi di cui disponevamo non spiegassero poi molto, in quanto la materia su scala infinitesimale sembra manifestarsi in modo assolutamente incredibile e controintuitivo, potremmo dire addirittura fantasioso. Uno dei tanti aspetti veramente assurdi - e ce ne sono molti altri - è il fenomeno della "sovrapposizione degli stati". Una particella - dalle dimensioni di un elettrone in giù - può comportarsi in modi differenti a seconda di come noi l'osserviamo, perché anche il solo osservarla, o misurala, la fa interagire con noi. La particella sembra contenere più nature che, dalla nostra esperienza sensoriale, non sembrano conciliabili tra di loro. Ad esempio: sappiamo che un elettrone ha una massa, misurabile e ben precisa, tuttavia il suo comportamento è anche di tipo ondulatorio, ovvero come se fosse un'onda elettromagnetica, privo di massa, come le onde radio del nostro smartphone. Quando cerchiamo di determinare la posizione di un elettrone ci accorgiamo che perdiamo la possibilità di misurare ulteriori parametri fisici, come se l'elettrone non fosse reale ma fosse una "gamma di possibili manifestazioni" di tipo probabilistico, non legato ad un unico aspetto fisico/materiale. L'elettrone non esiste in un "punto" ma è una nuvola di probabilità, probabilità che si manifesta come fenomeno misurabile solo quando interagisce con qualcosa. La Quantistica ci dice che il mondo infinitesimale ha un aspetto non completamente rilevabile né misurabile, se non perdendo alcune informazioni, e che la realtà è fedele alle sole leggi della probabilità. Non esiste un mondo di oggetti concreti e definiti, bensì un mondo di fantasmi, di presenze non tangibili, irreali, che solo nel momento dell'interazione - una collisione, un aumento di energia - si manifestano a noi. Il mondo come noi lo vediamo è solo una sintesi ad "alto livello" che risponde alle leggi della Fisica Classica (quella di Newton ad esempio) ma la trama dell'infinitesimamente piccolo che costruisce le basi di questo mondo più grande ignora completamente le sue leggi - vedi Carlo Rovelli "Helgoland". Non si può determinare un elettrone e misurarlo se non colpisce qualcosa o non cambia il suo stato energetico: se non lo fa si manifesta in una nuvola di probabilità in una regione ben definita dello spazio, niente di più (così come molte altre particelle ancora più piccole che abbiamo scoperto negli ultimi anni). La particella può così essere descritta con un un'equazione che ci dice come si può manifestare in ogni punto dello spazio, perché è come se fosse in OGNI punto dello spazio. La domanda è: le leggi quantistiche sembrano corrette ma l'elettrone è VERAMENTE diffuso nello spazio in uno stato di sovrapposizione? Per quanto manipoliamo atomi e particelle con leggi sperimentalmente verificate da quasi cento anni, la nostra mente rifiuta l'idea che il mondo sia governato dall'indeterminazione, sia popolato da ombre e risulti, in parole povere, non reale.
Semplificando: la Quantistica ci dice che una particella può essere due cose differenti contemporaneamente. Se applichiamo questa abilità nel descrivere da un punto di vista matematico i fenomeni quantistici al mondo dei computer è facile intuire il potenziale del calcolo quantistico. Il mondo digitale di oggi si basa sul concetto del "bit ", il quale può assumere il valore "0" od "1". Con un bit vengono descritti due stati della realtà, ad esempio acceso e spento. Con due bit posso descrivere quattro stati differenti, ad esempio "00" = a; "01"= b; "10" = c e "11" = d. Combinando il calcolo binario posso elaborare le informazioni fino a realizzare quello che oggi si chiama Computer, utilizzando la logica Booleana. Ma se il "bit" fosse un "Qbit", ovvero un bit che esprime un valore quantistico? Allora avremo un bit che può essere nello stesso tempo sia "0" che "1" e che diventerà - ovvero "collasserà" - in 1 o 0 quando interagirà opportunamente. Un Qbit ha più stati potenziali latenti, ha più dinamica delle informazioni, e può elaborare, ad esempio, calcoli sulla materia e sull'energia in modo estremamente efficiente perché la sua natura è in sovrapposizione degli stati, quindi è più versatile. Nei computer di oggi dobbiamo descrivere ambienti ed architetture per simulare la potenzialità della sovrapposizione degli stati; nei computer quantistici questo modo di agire, in sintonia con la realtà, è insito nell'architettura, quindi il Qbit è estremamente più potente del descrivere, prevedere, manipolare e simulare i fenomeni della realtà fisica. Basti pensare, ad esempio, ai calcoli necessari per creare e mantenere in vita un plasma in un reattore a fusione nucleare, a quante simulazioni matematiche si debbano fare per comprendere come questo fenomeno fisico si innesca, come interagisce con il reattore, come si mantiene stabile. Le particelle che generano il plasma hanno scala quantistica, il fenomeno della fusione crea fenomeni fisici quantistici etc. Dopo quanto svelato possiamo introdurre una sintesi dello studio svelato in "Quantum Computing" pubblicato dall'EPO:
"Il Quantum Computing (QC) sta diventando sempre più presente e rilevante con grandi aziende tecnologiche come IBM, Google, Amazon e Microsoft le quali investono pesantemente in questa tecnologia informatica.
Le prime macchine "Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)" sono attive e funzionante e sono anche ampiamente disponibili per l'uso, ad esempio attraverso l'offerta servizi nel Cloud e tramite l'offerta di tool ed ambienti di programmazione completi.
Il QC risulta essere molto ambito quando la sua architettura caratterizzata da un "parallelismo intrinseco" può essere sfruttata e quando esprime un significativo vantaggio computazionale rispetto a un parallelismo classico dei sistemi informatici deloo stato dell’arte: questo vantaggio è denominato “supremazia quantistica”.
L'attuale NISQ è caratterizzato da un limitato numero di Qbit indirizzabili autonomamente - dove per Qbit si intende la cella logica primordiale dell'informazione quantistica, ovvero l'unità base dell'Informazione - con tempi di coerenza sufficientemente lunghi che non sono sufficienti per far emergere il vantaggio del calcolo basato sulla superiorità quantistica.
Un importante modello di calcolo quantistico è detto “circuito quantistico”, in analogia a quello classico degli schemi circuitali computazionali basati su circuiti logici di tipo Booleano. Un circuito quantistico comprende sequenze di operatori definiti per inizializzare, manipolare e leggere lo stato dei Qbit. Tali circuiti quantistici devono essere compilati e sintetizzati da un linguaggio di alto livello mediante una sorta di “codice macchina quantistico” nel loro livello hardware di istruzioni, che sono segnali analogici (tensioni/ frequenze) per manipolare i Qbit fisici.
Al contrario di un bit classico, che può essere in uno di due stati durante il calcolo ("0" o "1"), un Qbit può trovarsi in a sovrapposizione di stati (ovvero probabilisticamente essere allo stesso tempo "0" ed 1") e “collassare” solamente in uno stato definito quando è soggetto ad una misurazione. La programmazione di un computer quantistico e lo sviluppo dei suoi algoritmi sono sia un'arte che una scienza, in quanto si tratta della manipolazione di una sequenza di Qbit che sono di natura probabilistica, in una sovrapposizione di stati e che, alla fine del processo computazionale generano un risultato desiderato ottenuto con il massimo delle probabilità di interpretazione del quesito posto.
La natura probabilistica del QC focalizza le applicazioni di tali macchinari a determinate aree, in cui un’alta complessità combinatoria del compito computazionale è tipicamente presente e dove il problem solving dato dalle capacità del Quanto - informazione intrinsecamente probabilistica - può essere vantaggiosamente sfruttato. I campi di applicazioni di elezione sono le simulazioni complesse come la simulazione del drogaggio molecolare - per la produzione di Semiconduttori - oppure le architetture del Machine Learning, la Metrologia, la Crittoanalisi etc. Al momento, i computer quantistici sono caratterizzati da grandi dimensioni e sono molto energivori, come lo erano i primi calcolatori del passato, ma è logico pensare che anche per loro inizierà un processo di razionalizzazione ed evoluzione dei layout che li costituiscono…"
Riassumendo: se lo studio della realtà trova conferma nei modelli matematici della sovrapposizione quantistica degli stati e dallo studio delle probabilità - vedi appunto la FISICA QUANTISTICA -, è ovvio che la macchina che analizza la medesima realtà, ovvero il Computer, dovrebbe utilizzare la potenza di una medesima architettura concettuale e permettere di immergerci con il giusto strumento nella comprensione dei fenomeni fisici che ci circondano.
S.Marini
FONTE:"Quantum Computing" EPO
IDROGENO: il vettore energetico ideale - Gennaio 2023
Quando si parla di idrogeno ci si riferisce, in un senso generale, ad un vettore energetico sostenibile, o vettore chimico di energia, soprattutto se generato utilizzando fonti rinnovabili quali l'energia solare, quella eolica e quella idroelettrica. Viene spesso delineata una distinzione tra idrogeno "grigio", idrogeno "blu" e idrogeno "verde":
L'idrogeno "grigio" viene prodotto utilizzando gas naturale, solitamente attraverso un processo denominato "steam reforming" che genera anche Andride Carbonica (C02).
L'idrogeno "blu" viene prodotto allo stesso modo, tuttavia la maggior parte delle emissioni di Anidride Carbonica vengono catturate ed immagazzinate anziché essere rilasciate nell'atmosfera.
L'idrogeno "verde" viene prodotto utilizzando fonti energetiche rinnovabili. Questo può essere fatto mediante l'elettrolisi dell'acqua, utilizzando l'energia solare, quella eolica o quella idroelettrica come fonte di elettricità per il suddetto processo.
Quando l'idrogeno viene bruciato come combustibile per riscaldare o fornire energia meccanica (ad esempio per la propulsione), viene convertito in acqua; ciò significa che, a differenza dei combustibili fossili non viene prodotta Anidride Carbonica. Se l'idrogeno viene invece utilizzato in una Cella a Combustibile viene convertito in acqua ed elettricità, ovvero il prodotto energetico della Cella Combustibile.
L'idrogeno verde è importante per la transizione energetica per due aspetti principali. In primo luogo potrebbe sostituire parzialmente i combustibili fossili, ad esempio nel settore dei trasporti. In secondo luogo può anche essere utilizzato per bilanciare l'offerta e la domanda di energia rinnovabile. L'idrogeno verde offre un mezzo per immagazzinare e trasportare energia rinnovabile nei momenti in cui la produzione di tale energia supera la domanda. Da qui è facile dedurre che l'idrogeno verde può anche servire come fonte alternativa quando la domanda di energia rinnovabile supera la produzione.
FONTE: European Patent Office
S.Marini
25 Novembre 2022 - GIORNATA INTERNAZIONALE CONTRO LA VIOLENZA SULLE DONNE
In questa giornata così importante, alla luce degli eventi tragici di questo 2022, vogliamo pubblicare un grafico di uno studio EPO sull'apporto sempre più significativo delle donne nel mondo delle Proprietà Intellettuale.
