The promise of quantum computers | Matt Langione

Transcriber:

Traduttore: M.T. Levante Revisore: Chiara Polesinanti

Quali saranno le sfide più grandi del XXI secolo?

Oggi le ipotesi sono cambiamento climatico,

salute pubblica e disuguaglianza,

What will the biggest challenges of the 21st century turn out to be?

ma la verità è che non lo sappiamo ancora.

Quello che sappiamo

Today, one might guess climate change, public health, inequality,

è che il supercalcolo dovrà essere parte della soluzione.

but the truth is we don't yet know.

Da quasi un secolo,

la nostra dipendenza dai computer ad alte prestazioni

What we do know

is that supercomputing will have to be part of the solution.

davanti alle nostre sfide più pressanti

cresce sempre di più,

For nearly a hundred years,

dalla decifrazione dei codici nazisti al sequenziamento del genoma umano.

our reliance on high-performance computers

in the face of our most urgent challenges

I processori dei computer si sono mostrati all’altezza

di soddisfare richieste sempre più critiche e più complesse

has grown and grown,

from cracking Nazi codes to sequencing the human genome.

diventando sempre più piccoli, più veloci e migliori anno dopo anno,

Computer processors have risen to meet increasingly critical and complex demands

come per magia.

Ma c'è un problema.

by getting smaller, faster and better year after year,

Proprio ora che la dipendenza dai computer sta crescendo più velocemente che mai,

as if by magic.

i progressi nella potenza di calcolo si stanno fermando.

But there's a problem.

At the very moment that our reliance on computers is growing faster than ever,

La magia si è quasi esaurita.

Il tempismo non potrebbe essere peggiore.

progress in compute power

Ne parliamo raramente,

is coming to a standstill.

ma nonostante tutte le cose realizzate con i computer,

The magic is just about spent.

ne restano un numero sorprendente che i computer non sanno ancora fare,

The timing couldn't be worse.

We rarely talk about it, but for all that we've accomplished with computers,

a discapito delle imprese e della società.

there remain a startling number of things that computers still can't do,

Il sogno dello sviluppo computazionale quasi istantaneo di farmaci, ad esempio,

deve ancora realizzarsi dopo quasi 50 anni dalla sua prima concezione.

at a great cost to business and society.

The dream of near-instant computational drug design, for instance,

Non è mai stato così chiaro come ora,

quando il mondo si trova in uno stato di isolamento e paralisi,

has yet to come to fruition, nearly 50 years after it was first conceived.

in attesa di un vaccino per COVID-19.

Never has that been clearer than now,

Quella dei farmaci è solo una delle aree in cui i ricercatori sono ostacolati,

as the world sits in a state of isolation and paralysis,

as we await a vaccine for COVID-19.

e in alcuni casi, completamente bloccati,

dall'inadeguatezza anche degli ultimi supercomputer più veloci,

But drug discovery is just one area in which researchers are beset --

con grandi vincoli per aree come quella del cambiamento climatico

and in some cases, blocked entirely --

by the inadequacy of even today's fastest supercomputers,

e per la creazione di valore in settori come la finanza e la logistica.

putting great constraints in areas like climate change,

In passato,

potevamo contare su supercomputer che diventavano migliori e più veloci

and in value creation in areas like finance and logistics.

mentre le loro componenti diventavano ogni anno più piccole,

In the past,

ma ora non più.

we could rely on supercomputers simply getting better and faster,

Stiamo per raggiungere un limite fisico difficilmente valicabile.

as parts got smaller and smaller every year,

I transistor sono diventati così minuscoli

che si stanno avvicinando in fretta alle dimensioni di un atomo.

but no longer.

For now, we're drawing up against a hard physical limit.

E tale stato delle cose sollecita naturalmente un ulteriore esame,

Transistors have become so minuscule

uno per il quale ho speso gli ultimi anni

that they're fast approaching the size of an atom.

a incoraggiare i leader delle aziende e i legislatori perché lo affrontassero:

Such a state of affairs invites a natural follow-up question,

se non i supercomputer tradizionali,

and it's one that I've spent the last several years

quale tecnologia emergerà

encouraging business leaders and policy makers to address:

per armarci contro le sfide del XXI secolo?

If not traditional supercomputers,

Entra in campo l'informatica quantistica.

what technology will emerge

Computer quantistici come questo

to arm us against the challenges of the 21st century?

promettono di superare la limitazione atomica

sfruttando le proprietà fisiche subatomiche

Enter quantum computing.

Quantum computers like this one

che non erano nemmeno note all'uomo cento anni fa.

promise to address the atomic limitation

Come funziona?

L’informatica quantistica consente di superare due vincoli fondamentali

by exploiting subatomic physical properties

della classica informatica dei semiconduttori.

that weren't even known to man a hundred years ago.

I computer classici operano in modo deterministico:

How does it work?

Quantum computing enables a departure from two major constraints

tutto è sì o no, acceso o spento, senza una via di mezzo.

of classical semiconductor computing.

Operano, inoltre, in serie; possono fare solo una cosa alla volta.

Classical computers operate deterministically:

everything is either yes or no, on or off, with no in between.

I computer quantistici funzionano probabilisticamente

e, soprattutto, operano simultaneamente, grazie a tre proprietà:

They also operate serially; they can only do one thing at a time.

Quantum computers operate probabilistically, and most importantly,

sovrapposizione, correlazione e interferenza.

Ciò consente loro di esplorare più possibilità simultaneamente.

they operate simultaneously, thanks to three properties --

Per vedere come funziona,

immaginate un computer che cerca di superare un labirinto.

superposition, entanglement and interference --

which allow them to explore many possibilities at once.

Il computer classico lo fa esaurendo ogni potenziale percorso

To illustrate how this works, imagine a computer is trying to solve a maze.

in sequenza.

Se si imbatte in uno sbarramento sul primo percorso,

lo esclude come soluzione possibile,

The classical computer would do so by exhausting every potential pathway

torna alla sua posizione originale

e prova il percorso logico successivo,

in a sequence.

If it came across a roadblock on the first path,

e così via, finché non trova la soluzione giusta.

it would simply rule that out as a solution,

Un computer quantistico potrebbe provare ogni singolo percorso

revert to its original position

and try the next logical path,

and so on and so forth until it found the right solution.

allo stesso tempo,

superando il labirinto, di fatto, in un solo tentativo.

A quantum computer could test every single pathway

at the same time,

In effetti, molti problemi complessi

in effect, solving the maze in only a single try.

sono caratterizzati da questa qualità labirintica,

specialmente i problemi di simulazione e ottimizzazione,

As it happens,

e alcuni di loro potrebbero essere risolti in modo esponenzialmente più veloce

many complex problems are characterized by this mazelike quality,

con un computer quantistico.

especially simulation and optimization problems,

Ma ha davvero importanza la cosiddetta accelerazione quantistica?

some of which can be solved exponentially faster

with a quantum computer.

Per credere nella necessità di supercomputer più veloci,

But is there really value to this so-called quantum speedup?

dobbiamo prima credere

che i nostri problemi siano davvero di natura computazionale.

In order to believe that we need faster supercomputers,

A quanto pare molti lo sono, almeno in parte.

we need to first believe that our problems are indeed computational in nature.

Per fare un esempio, prendiamo la produzione di fertilizzanti,

uno dei problemi che segnano la scienza del cambiamento climatico.

It turns out that many are, at least in part.

La maggior parte dei fertilizzanti, oggi, viene prodotta

For an example, let’s turn to fertilizer production,

mettendo insieme l’azoto e l’idrogeno per creare ammoniaca,

one of the hallmark problems in the science of climate change.

che è il loro principio attivo.

The way most fertilizer is produced today

Il processo funziona,

ma solo a un costo davvero elevato

is by fusing nitrogen and hydrogen to make ammonia,

sia per le imprese, che spendono da 100 a 300 miliardi ogni anno,

which is the active ingredient.

The process works,

sia per l'ambiente:

but only at a severe, a severe cost

tra il tre e il cinque per cento del gas naturale mondiale

to businesses, who spend 100 to 300 billion every year,

viene consumato ogni anno nella sintesi dei fertilizzanti.

and to the environment:

three to five percent of the world's natural gas

Perché gli scienziati non sono riusciti a sviluppare un processo più efficiente?

is expended on fertilizer synthesis

La ragione è che, per farlo,

every single year.

So why have scientists failed to develop a more efficient process?

avrebbero bisogno di simulare le labirintiche interazioni molecolari

che costituiscono il campo elettrostatico del catalizzatore chiave, la nitrogenasi.

The reason is that in order to do so,

they would need to simulate the mazelike molecular interactions

In realtà gli scienziati, oggi, sanno come farlo,

that make up the electrostatic field of the key catalyst, nitrogenase.

ma ci vorrebbero 800.000 anni con il supercomputer più veloce del mondo.

Scientists actually know how to do that today,

Con un computer quantistico delle dimensioni giuste,

but it would take 800,000 years on the world's fastest supercomputer.

ci vorrebbero meno di 24 ore.

Per fare un altro esempio torniamo allo sviluppo di farmaci,

un processo che molti di noi hanno capito bene per la prima volta con COVID-19.

With a full-scale quantum computer,

less than 24 hours.

For another example, let's return to drug discovery,

Progettare un vaccino per una malattia infettiva come la COVID-19,

a process COVID-19 has brought into sharp focus for most of us

dall’identificazione dei fattori che la causano

for the very first time.

Designing a vaccine for an infectious disease like COVID-19,

allo screening di milioni di possibili attivatori e inibitori,

è un processo che in genere richiede oltre 10 anni per ogni farmaco,

from identifying the drivers of the disease,

to screening millions of candidate activators and inhibitors,

il 90 per cento dei quali non supera gli studi clinici.

is a process that typically takes 10 or more years per drug,

Per le aziende farmaceutiche, il costo va da due a tre miliardi di dollari

per farmaco approvato.

90 percent of which fail to pass clinical trials.

Ma i costi sociali dei ritardi e dei fallimenti sono molto più alti.

The cost to pharmaceutical companies is two to three billion dollars

Più di otto milioni di persone muoiono ogni anno di malattie infettive.

per approved drug.

But the social costs of delays and failures are much, much higher.

Si tratta di un numero pari a 15 volte le persone morte durante i primi sei mesi

More than eight million people die every year of infectious diseases.

della pandemia di coronavirus.

Perché la progettazione computazionale di farmaci ha tradito le aspettative?

That's 15 times as many people as died during the first six months

Almeno in parte, è una questione di risorse computazionali limitate.

of the coronavirus pandemic.

So why has computational drug design failed to live up to expectations?

Se determinare il percorso di una malattia nell’organismo è come una serratura,

Again, it's a matter of limited computational resources, at least in part.

progettare un farmaco richiede una ricerca in uno spazio chimico immenso,

If identifying a disease pathway in the body is like a lock,

un labirinto di strutture molecolari,

per trovare il composto giusto,

designing a drug requires searching through a massive chemical space,

per trovare una chiave, in altre parole, che entri nella serratura.

effectively a maze of molecular structures,

Il problema è che per tracciare tutto quanto lo spazio chimico d’interesse

to find the right compound,

to find a key, in other words, that fits the lock.

e convertirlo in un database consultabile per lo sviluppo di farmaci

The problem is that tracing the entire relevant span of chemical space

servirebbero 5 bilioni di bilioni di bilioni di bilioni di anni

and converting it into a searchable database for drug design

con il supercomputer più veloce del mondo.

would take 5 trillion trillion, trillion, trillion years

Con un computer quantistico, poco più di mezz'ora.

Ma l’informatica quantistica non riguarda solo i trionfi in laboratorio.

on the world's fastest supercomputer.

Il flusso del progresso e delle aziende di tutti i tipi è attualmente bloccato

On a quantum computer, a little more than a half hour.

But quantum computing is not just about triumphs in the lab.

da vincoli computazionali discreti, ma problematici,

The flow of progress and industries of all kinds is currently blocked

che hanno un impatto reale sugli affari e sulla società.

Per quanto possa sembrare un esempio improbabile,

by discreet, but intractable computational constraints

consideriamo le banche.

E se le banche potessero concedere più liberamente prestiti

that have a real impact on business and society.

ai privati, agli imprenditori e alle imprese?

For what may seem an unlikely example, let's turn to banks.

Uno dei limiti principali oggi

What if banks were able to lend more freely

sta nel fatto che le banche tengono tra il 10 e il 15 per cento del patrimonio

to individuals, entrepreneurs and businesses?

nelle riserve di cassa,

in parte perché le simulazioni di rischio hanno i limiti del calcolo computazionale.

One of the key holdups today

is that banks keep 10 to 15 percent of assets in cash reserves,

Non sono in grado di considerare i rischi per il mercato globale

in part, because their risk simulations are compute constrained.

che sono rari, ma gravi e imprevedibili.

Gli eventi "cigno nero", per esempio.

They can’t account for global or whole-market risks that are rare

Ora, tra il 10 e il 15 per cento sono moltissimi soldi,

but severe and unpredictable.

se si considera che ogni riduzione dell’uno per cento delle riserve di cassa

Black swan events, for example.

Now, 10 to 15 percent is a whole lot of money.

porterebbe a un bilione di dollari in più di capitale investibile.

When you consider that for every one-percent reduction in cash reserves,

Ciò significa che se le banche a un certo punto si affidassero

it would lead to an extra trillion dollars of investible capital.

alle simulazioni quantistiche del rischio

per ridurre le riserve di cassa, diciamo, al cinque o 10 per cento del patrimonio,

What this means is that if banks ultimately became comfortable enough

l’effetto sarebbe uno stimolo del livello di COVID-19

with quantum-powered risk simulations

per privati e imprese

to reduce cash reserves to, say, five to 10 percent of assets,

ogni singolo anno.

the effect would be like a COVID-19-level stimulus

Una volta chiaro il potere trasformativo del calcolo quantistico,

for individuals and businesses

la domanda allora diventa: quanto tempo dobbiamo aspettare?

every single year.

Once the transformative power of quantum computing is clear,

I ricercatori sono prudenti riguardo alle tempistiche per il salto quantistico.

the question then becomes: Well, how long must we wait?

A ragione, dato che rimangono diversi ostacoli critici da superare,

Researchers are cautious when asked about the timeline to quantum advantage.

e non solo sfide ingegneristiche,

ma questioni scientifiche fondamentali sulla natura della meccanica quantistica.

Rightly so -- there remain a number of critical hurdles to overcome,

and not just engineering challenges,

Di conseguenza, potrebbero passare uno, due, o anche tre decenni

but fundamental scientific questions about the nature of quantum mechanics.

prima che i computer quantistici siano maturi.

Alcuni dei dirigenti con cui ho parlato sono giunti alla conclusione

As a result, it may be one, two, even three decades

che possono permettersi di aspettare, di rimandare gli investimenti.

before quantum computers fully mature.

Io credo che questo sia davvero un errore,

Some executives that I've spoken with have come to the conclusion on this basis

perché mentre alcune tecnologie si sviluppano con costanza,

that they can afford to wait,

secondo le leggi della causalità cumulativa,

that they can afford to postpone investing.

I believe this to be a real mistake,

molte emergono come scoperte improvvise,

for while some technologies develop steadily,

quasi dall’oggi al domani,

sfidando qualsiasi calendario stabilito in anticipo.

according to the laws of cumulative causation,

L’informatica quantistica si presta ad essere una scoperta di questo tipo,

many emerge as precipitous breakthroughs,

almost overnight defying any timeline that could be drawn out in advance.

avendo già raggiunto una serie di traguardi critici

decenni prima del previsto.

Quantum computing is a candidate for just such a breakthrough,

Alla fine degli anni ’80, per esempio,

molti ricercatori pensavano che il mattone elementare del calcolo quantistico,

having already reached a number of critical milestones

decades ahead of schedule.

il qubit,

avrebbe richiesto cento anni per la sua costruzione.

In the late 80s, for example,

many researchers thought that the basic building block of quantum computing,

Dieci anni dopo, è arrivato.

Ora la IBM ha quasi 500 qubit divisi tra 29 macchine,

the qubit,

would take a hundred years to build.

disponibili per la ricerca e per l’uso da parte dei clienti.

Ten years later, it arrived.

Now IBM has nearly 500 qubits across 29 machines,

Questo significa che dovremmo preoccuparci di meno

del fatto che i computer quantistici arrivino troppo tardi

available for client use and research.

e di più del fatto che arrivino troppo presto,

What this means is that we should worry less

prima che siano stati fatti i preparativi necessari.

about quantum computers arriving too late

Per citare un premio Nobel della fisica,

and more about them arriving too soon,

“Ci sono più differenze tra i computer quantistici e quelli attuali

before the necessary preparations have been made.

For to quote one Nobel prize winning physicist,

che tra i computer attuali

e l’abaco”.

"Quantum computers are more different from current computers

Ci vorrà tempo per fare le integrazioni necessarie per il flusso di lavoro.

than current computers are

Ci vorrà tempo per assumere i talenti giusti.

from the abacus."

E, cosa più importante,

It'll take time to make the necessary workflow integrations.

ci vorrà tempo, per non parlare di visione e immaginazione,

It'll take time to onboard the right talent.

per identificare ed esaminare i problemi critici

Most importantly,

it'll take time, not to mention vision and imagination,

da affidare ai computer quantistici per i vostri business.

I governi stanno già investendo molto nelle tecnologie quantistiche,

to identify and scope high-value problems

15 miliardi di dollari tra Cina, Europa e Stati Uniti.

for quantum computers to tackle for your business.

Governments are already investing heavily in quantum technologies --

E i VC stanno seguendo il loro esempio.

Ma ciò che occorre ora per accelerare l'innovazione

15 billion dollars among China, Europe and the US.

sono gli investimenti aziendali per lo sviluppo di casi d’uso,

And VCs are following suit.

per l’assunzione di talenti

But what's needed now to accelerate innovation

e per la sperimentazione con i computer quantistici reali

is business investment in developing use cases,

che sono disponibili oggi.

In un mondo come il nostro,

in onboarding talent

le esigenze dell’innovazione non possono proprio essere rimandate.

and on experimenting with real quantum computers

I leader devono agire ora,

that are available today.

perché le accelerazioni dei processori che hanno spinto l’innovazione per 70 anni

In a world such as ours,

the demands of innovation can't be put off for another day.

sono destinate a fermarsi di colpo.

Leaders must act now,

La corsa verso una nuova era di magia e supercalcolo è già in corso.

for the processor speedups that have driven innovation for nearly 70 years

Non possiamo permetterci di perderla.

are set to stop dead in their tracks.

The race toward a new age of magic and supercomputing is already underway.

I computer quantistici sono in pole position.

Sono l’auto da battere.

It's one we can't afford to lose.

Grazie.

Quantum computers are in pole position. They're the car to beat.

Thank you.