Cos’è il quantum computing? Una spiegazione semplice

Cos’è il quantum computing in parole semplici?

Il quantum computing è il modo in cui i computer quantistici eseguono i calcoli. Un computer quantistico è quindi il dispositivo, mentre il quantum computing si riferisce alla tecnologia e al metodo di calcolo che ci stanno dietro.

Un computer quantistico funziona in modo diverso da un computer classico. Dove un computer normale lavora con bit che sono 0 o 1, un computer quantistico usa i qubit.

Questi qubit possono elaborare le informazioni in un altro modo. Per questo i computer quantistici possono affrontare alcuni problemi molto specifici in modo diverso rispetto ai computer normali. Pensa, per esempio, al calcolo di molecole per la ricerca di nuovi farmaci e materiali, oppure ad alcuni problemi matematici che per i computer classici richiedono tantissimo lavoro di calcolo.

Questo non significa che un computer quantistico sia automaticamente più veloce. Per le attività comuni, come navigare su internet, fare videochiamate, usare fogli di calcolo o far girare server, un computer classico resta molto più adatto.

Per questo i computer quantistici probabilmente non sostituiranno i computer normali. Nella pratica, i due tipi di computer verranno più probabilmente usati fianco a fianco, con il computer quantistico impiegato solo per i problemi in cui questo approccio può davvero dare un vantaggio.

In breve

• Il quantum computing usa i qubit invece dei soli bit normali.
• I qubit possono mostrare proprietà come la sovrapposizione e l’entanglement quantistico.
• Un computer quantistico non è più veloce di un computer classico per ogni compito.
• La tecnologia può essere soprattutto utile per problemi complessi specifici.
• Un computer quantistico sufficientemente potente può, nel tempo, creare rischi per la crittografia e le crypto.

Come funziona il quantum computing?

Un computer quantistico esegue un calcolo con i qubit. Prima questi qubit vengono portati in un certo stato iniziale. Poi il computer esegue operazioni sui qubit e alla fine li misura.

Queste operazioni si chiamano porte quantistiche, o gate. Puoi vederle come istruzioni che cambiano lo stato di un qubit. Eseguendo più istruzioni di questo tipo una dopo l’altra, si ottiene un algoritmo quantistico.

Durante un calcolo, i qubit possono anche influenzarsi a vicenda. Gli algoritmi quantistici usano questo per aumentare o diminuire la probabilità di certi risultati. L’obiettivo è che il risultato desiderato compaia più spesso quando i qubit vengono misurati.

Dopo la misurazione ottieni valori normali, come 0 e 1. Un computer quantistico quindi non restituisce automaticamente tutte le possibili risposte insieme. L’algoritmo deve essere costruito in modo che un risultato utile abbia una grande probabilità di essere misurato.

Cosa sono i qubit?

Un qubit è l’unità di base con cui un computer quantistico elabora le informazioni. Puoi paragonare un qubit a un bit in un computer normale.

Un bit normale è 0 o 1. Un qubit funziona in modo diverso. Prima di misurarlo, il suo stato può essere tale che sia 0 sia 1 siano risultati possibili. Solo quando misuri il qubit vedi un risultato: 0 oppure 1.

I qubit non sono componenti normali di un computer. I ricercatori possono crearli, per esempio, con circuiti elettrici molto piccoli, atomi, ioni o particelle di luce.

Il grande problema è che i qubit sono molto sensibili all’ambiente. Calore, vibrazioni e rumore elettromagnetico possono disturbare un calcolo. Per questo è difficile costruire grandi computer quantistici che possano calcolare in modo affidabile abbastanza a lungo.

Cos’è la sovrapposizione (superposition)?

La sovrapposizione è il nome del fenomeno per cui un qubit, prima della misurazione, non è semplicemente fissato su 0 o 1.

Puoi vederla come più possibili risultati che fanno parte dello stesso stato quantistico. Alla misurazione, però, ottieni comunque un solo risultato.

Con due qubit, per esempio, sono possibili quattro risultati:

• 00
• 01
• 10
• 11

Un computer quantistico può lavorare durante il calcolo con uno stato in cui tutte queste possibilità hanno un ruolo. Questo però non significa che alla fine tu possa leggere tutti e quattro i risultati insieme. Dopo una misurazione ottieni un solo risultato.

Per questo un algoritmo quantistico deve guidare il calcolo in modo che un risultato utile abbia una probabilità maggiore di essere misurato.

Esempio: Immagina che due qubit possano alla fine dare 00, 01, 10 o 11. Un buon algoritmo quantistico cerca di rendere il più alta possibile la probabilità del risultato desiderato, per esempio 10.

Cos’è l’entanglement quantistico (quantum entanglement)?

Con l’entanglement quantistico, due o più qubit diventano così collegati che il loro stato non può più essere descritto completamente separatamente.

Per esempio, immagina che due qubit siano così intrecciati che, quando li misuri, ottieni sempre 00 oppure 11. Se misuri il primo qubit come 0, in questo esempio anche l’altro risulterà 0. Se ottieni 1, anche l’altro sarà 1.

I computer quantistici possono usare questi legami durante i calcoli. Insieme alla sovrapposizione e ad altri fenomeni quantistici, questo rende possibili calcoli che funzionano in modo diverso da quelli di un computer classico.

L’entanglement quantistico non significa comunque che puoi trasmettere informazioni più velocemente della luce. Infatti non puoi decidere tu quale risultato di misurazione otterrai.

Qual è la differenza tra computer quantistici e computer classici?

La differenza principale è che un computer classico funziona con bit, mentre un computer quantistico usa qubit. Un bit normale è 0 o 1. Un qubit segue le regole della meccanica quantistica e quindi può elaborare le informazioni in un altro modo.

I computer quantistici usano fenomeni come la sovrapposizione (superposition) e l’entanglement quantistico (quantum entanglement). Lavorano anche con operazioni speciali chiamate porte quantistiche, o gate.

Questo non significa che un computer quantistico sia automaticamente migliore o più veloce. Per la maggior parte delle attività quotidiane, i computer classici sono molto più adatti. Pensa a navigare su internet, gestire file, fare videochiamate o far girare server.

I computer quantistici sono soprattutto interessanti per un numero limitato di problemi per cui esistono algoritmi quantistici speciali.

Un’altra differenza è che i qubit sono molto più sensibili ai disturbi rispetto ai bit normali. Calore, rumore elettromagnetico e altri influssi dell’ambiente possono causare errori. Per questo è difficile costruire grandi computer quantistici che restino affidabili abbastanza a lungo.

Anche il numero di qubit, da solo, non dice quanto può fare un computer quantistico. Conta anche, per esempio, quanto spesso si verificano errori, quanto bene i qubit possono lavorare insieme e quanto bene questi errori possono essere corretti.

In futuro, i computer quantistici e quelli classici probabilmente verranno usati fianco a fianco. Un computer classico, per esempio, può occuparsi dell’elaborazione normale e del controllo, mentre un computer quantistico esegue solo una parte specifica di un calcolo difficile.

A cosa può servire il quantum computing?

Il quantum computing può essere particolarmente interessante per problemi che per i computer classici sono molto difficili.

Un esempio importante è la simulazione della natura stessa. Molecole e materiali si comportano su scala molto piccola secondo la meccanica quantistica. Un computer quantistico può quindi, in teoria, essere adatto a imitare questi sistemi.

Le possibili applicazioni sono, per esempio:

• ricerca di nuovi farmaci;
• scoperta di nuovi materiali;
• simulazione di reazioni chimiche;
• alcuni problemi di pianificazione e ottimizzazione;
• alcuni calcoli matematici e crittografici.

Nell’ottimizzazione, per esempio, puoi pensare alla ricerca di un percorso efficiente, alla pianificazione della produzione o alla distribuzione logistica. Su questo si fa molta ricerca, ma i computer quantistici non hanno ancora un vantaggio pratico dimostrato per ogni tipo di problema di ottimizzazione.

Un esempio noto in matematica è l’algoritmo di Shor. È un algoritmo quantistico con cui un computer quantistico sufficientemente potente potrebbe risolvere alcuni problemi matematici in modo molto più efficiente rispetto ai metodi classici conosciuti.

Questo è particolarmente importante per la crittografia, perché alcuni metodi di sicurezza si basano proprio sul fatto che questi calcoli siano estremamente difficili per i computer normali.

Molte applicazioni del quantum computing sono ancora in fase di ricerca. Un esperimento in cui un computer quantistico svolge meglio un compito specifico non significa quindi automaticamente che questa tecnologia sia già subito utilizzabile per aziende o consumatori.

Quale impatto ha il quantum computing sulla crittografia?

Il quantum computing può in futuro avere conseguenze per alcune forme di crittografia.

Soprattutto la crittografia a chiave pubblica (public-key cryptography) è importante. In questo caso hai una chiave pubblica che puoi condividere con altri e una private key che deve restare segreta.

La sicurezza di questi sistemi si basa su problemi matematici che per i computer normali non sono praticamente risolvibili in un tempo utile.

Un computer quantistico sufficientemente potente potrebbe risolvere alcuni di questi problemi in modo molto più efficiente con l’algoritmo di Shor. Di conseguenza, alcune forme di crittografia e firme digitali potrebbero diventare vulnerabili.

Questo può avere conseguenze in due modi.

Nella cifratura, qualcuno potrebbe forse decifrare informazioni che dovevano restare segrete.

Nelle firme digitali, qualcuno potrebbe forse falsificare una firma valida senza possedere la vera private key.

Non tutta la crittografia viene colpita allo stesso modo. La crittografia simmetrica e le funzioni hash non vengono attaccate dallo stesso punto di vista fondamentale dall’algoritmo di Shor.

Per questi sistemi è soprattutto rilevante l’algoritmo di Grover. Può accelerare in teoria alcuni problemi di ricerca, per cui potrebbe servire un margine di sicurezza maggiore.

Al momento non esiste ancora un computer quantistico che possa rompere in modo pratico e su larga scala la crittografia più usata.

Tuttavia esiste già un rischio per le informazioni che devono restare segrete per molti anni. Un attaccante può salvare oggi dati cifrati e sperare di decifrarli in futuro con un computer quantistico più potente. Questo viene chiamato harvest now, decrypt later.

Quali metodi crittografici possono diventare vulnerabili?

Soprattutto la crittografia che si basa sulla fattorizzazione o sul problema del logaritmo discreto può diventare vulnerabile per un computer quantistico sufficientemente potente.

RSA è un esempio noto. La sicurezza di RSA si basa sul fatto che per i computer normali è molto difficile scomporre numeri molto grandi nei loro fattori.

Anche Diffie-Hellman, ECDH, DSA, ECDSA e le firme Schnorr possono diventare vulnerabili.

Molte di queste tecniche usano il problema del logaritmo discreto. È un problema matematico difficile per i computer classici, ma per cui l’algoritmo di Shor offre un approccio molto più efficiente.

Per le crypto, la crittografia a curva ellittica, abbreviata in ECC, è particolarmente importante. Molte blockchain usano l’ECC per creare firme digitali.

Con una firma del genere dimostri di poter eseguire una transazione senza rendere pubblica la tua private key.

Se un futuro computer quantistico riuscisse a calcolare la private key corrispondente a partire da una chiave pubblica, un attaccante potrebbe forse anche falsificare firme valide.

Altre tecniche, come AES e le funzioni hash, vengono colpite in modo diverso. L’algoritmo di Grover può accelerare in teoria alcuni attacchi, ma non rompe queste tecniche nello stesso modo in cui l’algoritmo di Shor può colpire RSA ed ECC.

Quali sono i limiti del quantum computing?

I computer quantistici hanno ancora grandi limiti tecnici.

Un problema importante è che i qubit sono molto sensibili ai disturbi. Calore, radiazione elettromagnetica e altro rumore possono cambiare lo stato quantistico.

La perdita dello stato quantistico desiderato si chiama decoerenza (decoherence).

Se durante un calcolo si verificano troppi errori, il risultato non è più affidabile. Per questo la correzione degli errori quantistici (quantum error correction) è importante.

In questo caso si usano più qubit fisici per formare insieme un qubit logico più affidabile.

Questo significa che un computer quantistico con molti qubit fisici può alla fine avere molti meno qubit logici realmente utilizzabili.

Anche la scalabilità è difficile. Non basta costruire semplicemente sempre più qubit. Devono anche essere controllati bene, poter lavorare insieme e restare affidabili abbastanza a lungo.

Inoltre il quantum computing non offre vantaggi per ogni problema. Deve esistere un algoritmo quantistico che possa affrontare il problema in modo utile.

I computer quantistici quindi non sono un sostituto generale dei computer classici. Sono pensati soprattutto per tipi specifici di calcolo.

Quali rischi porta il quantum computing per le crypto?

Per le crypto, un importante rischio quantistico riguarda le firme digitali.

Molte blockchain usano una chiave pubblica e una chiave privata. La chiave privata serve per firmare le transazioni. La chiave pubblica può essere usata per verificare quella firma.

Un futuro computer quantistico potente potrebbe, per alcuni sistemi crittografici, calcolare la chiave privata corrispondente a partire dalla chiave pubblica.

Un attaccante potrebbe allora forse creare da solo firme valide e spostare crypto senza il permesso del vero proprietario.

Quanto sia grande esattamente questo rischio dipende dalla blockchain.

Dipende, per esempio, da:

• quale crittografia usa la blockchain;
• quando una chiave pubblica diventa visibile;
• come gli utenti usano il loro wallet crypto;
• quanto facilmente il protocollo può essere modificato.

Anche il passaggio a una nuova sicurezza può creare rischi.

Non solo la blockchain stessa deve supportare la nuova crittografia. Anche wallet, crypto exchange, soluzioni di custodia e altro software devono essere aggiornati in tempo.

Le nuove firme post-quantum possono inoltre essere più grandi di quelle attuali. Questo può avere effetti sulla dimensione delle transazioni, sullo storage, sulla larghezza di banda, sui tempi di elaborazione e sulle fee.

Anche i sistemi fuori dalla blockchain possono essere colpiti. Pensa alla comunicazione cifrata, ai dati archiviati o ad altri componenti dell’infrastruttura intorno alle crypto.

Lì harvest now, decrypt later può diventare persino un problema prima che sulla blockchain stessa.

Il quantum computing può rompere Bitcoin?

Non con i computer quantistici che esistono oggi.

Per attaccare Bitcoin in modo pratico con il quantum computing serve un computer quantistico molto più potente e tollerante agli errori. Un sistema del genere al momento non esiste e non si sa quando cambierà.

Bitcoin usa la crittografia a curva ellittica per le firme digitali.

Le transazioni Bitcoin tradizionali usano ECDSA con la curva secp256k1. Dall’aggiornamento Taproot, Bitcoin supporta anche le firme Schnorr.

Entrambe le tecniche possono in teoria diventare vulnerabili all’algoritmo di Shor.

Un dettaglio importante è quando la chiave pubblica diventa visibile.

Con alcuni indirizzi Bitcoin, sulla blockchain compare prima solo un hash della chiave pubblica. Quando spendi i bitcoin, la chiave pubblica completa diventa visibile.

Questo significa che il rischio non funziona esattamente allo stesso modo per ogni bitcoin.

Per questo è troppo semplicistico dire che un computer quantistico in futuro potrà automaticamente "rompere Bitcoin".

Un attacco dipende, tra le altre cose, da quanto è potente il computer quantistico, quali chiavi pubbliche sono visibili, quanto velocemente può essere eseguito un attacco del genere e come reagisce la rete Bitcoin.

Anche le funzioni hash come SHA-256 non vengono colpite nello stesso modo delle firme digitali.

L’algoritmo di Grover può accelerare in teoria alcuni attacchi, ma è un rischio diverso dall’attacco dell’algoritmo di Shor alla crittografia a curva ellittica.

Come possono proteggersi le blockchain dai computer quantistici?

La soluzione principale è sostituire la crittografia vulnerabile con una crittografia che dovrebbe resistere agli attacchi quantistici.

Questo si chiama crittografia post-quantistica.

Per le blockchain, questo significa per esempio che si possono aggiungere nuovi tipi di indirizzi e firme digitali.

Gli utenti possono poi spostare le proprie crypto verso indirizzi che usano questa nuova sicurezza.

Un concetto importante qui è la crypto-agility. Con questo si intende la capacità di un sistema di sostituire la propria sicurezza crittografica quando serve.

Per una blockchain non è semplice. Il protocollo deve essere modificato e wallet, exchange e altro software devono supportare le nuove regole.

Anche gli utenti già esistenti devono avere la possibilità di spostare le proprie crypto in modo sicuro.

Per Bitcoin può aiutare anche non riutilizzare inutilmente indirizzi e chiavi pubbliche. In questo modo una chiave pubblica resta visibile per meno tempo.

Ma non è una soluzione completa. Quando una transazione viene spesa, la chiave pubblica può comunque diventare visibile.

Per questo esistono anche proposte per preparare meglio Bitcoin a una possibile minaccia quantistica.

Un esempio è Pay-to-Merkle-Root, abbreviato in P2MR. Questa proposta cerca di limitare l’esposizione prolungata di alcune chiavi pubbliche.

Al momento è solo una proposta e non una regola attiva di Bitcoin.

Per una protezione completa, alla fine servirebbero anche firme digitali resistenti agli attacchi quantistici noti.

Cos’è la crittografia post-quantistica?

La crittografia post-quantistica (post-quantum cryptography), spesso abbreviata in PQC, è una crittografia progettata per resistere agli attacchi noti sia dei computer classici sia di quelli quantistici.

La PQC funziona normalmente sui computer tradizionali. Quindi non serve un computer quantistico per usare la crittografia post-quantistica.

È qualcosa di diverso dalla crittografia quantistica (quantum cryptography). In quel caso si usano direttamente proprietà della fisica quantistica, per esempio per scambiare chiavi.

Nella crittografia post-quantistica, invece, si usa nuova matematica per proteggere meglio i computer esistenti dagli attacchi quantistici futuri.

Nel 2024 sono stati pubblicati i primi importanti standard post-quantistici.

Tra questi ci sono:

• ML-KEM per scambiare o concordare in modo sicuro chiavi segrete;
• ML-DSA per le firme digitali;
• SLH-DSA per le firme digitali basate su funzioni hash.

Questi metodi usano problemi matematici diversi da RSA e dalla crittografia a curva ellittica.

Post-quantum non significa che questa crittografia sarà per sempre impossibile da rompere. Le tecniche crittografiche continuano a essere studiate e testate.

Per le blockchain, inoltre, la sfida non è solo scegliere un nuovo algoritmo. Contano anche la dimensione delle transazioni, i costi di verifica, i wallet, la gestione delle chiavi e la compatibilità con i sistemi esistenti.

Conclusione

Il quantum computing usa i qubit per eseguire alcuni calcoli in modo diverso da un computer classico. Questo può essere particolarmente utile per problemi difficili specifici, come la simulazione di molecole e alcuni calcoli matematici. Per le attività informatiche normali, un computer classico resta molto più adatto.

Per le crypto è soprattutto importante che i futuri computer quantistici possano indebolire alcune forme di crittografia. Questo può avere conseguenze sulla sicurezza delle private key e delle firme digitali. I computer quantistici di oggi non sono ancora lontanamente abbastanza potenti da rompere in modo pratico Bitcoin o la crittografia più usata.

Tuttavia, si sta già lavorando alla protezione contro i futuri attacchi quantistici. Una soluzione importante è la crittografia post-quantistica. Per le blockchain, un passaggio del genere significa che protocolli, wallet e altri sistemi devono essere aggiornati in tempo e continuare a funzionare bene insieme.