La quantum technology sta uscendo dai laboratori di ricerca e si affaccia sul mercato nei principali paesi, spingendo l’Unione Europea a investire in iniziative dedicate, mentre in Italia il PNRR mette a disposizione risorse che potranno consentire di sviluppare la ricerca per realizzare componenti hardware e software dedicato, anche attraverso partenariati con imprese private. Lo evidenzia Donatella Sciuto, Prorettore Politecnico di Milano, in occasione del lancio dell’Osservatorio Quantum Computing & Communication del Politecnico di Milano.
Il mondo degli Osservatori, dopo avere analizzato per un paio di anni i progressi della quantum technology all’interno di altri settori, ha infatti considerato maturo il momento per lanciare un osservatorio dedicato.
“Abbiamo trasformato un tavolo di lavoro sulla quantum technology in un osservatorio, creando una comunità di esperti e aziende in un contesto precompetitivo su tecnologia e mercati emergenti, come accade per altri osservatori”, spiega Alessandro Perego, Direttore del Dipartimento di Ingegneria Gestionale, Politecnico di Milano.
L’attenzione al tema viene sottolineata anche da Tommaso Calarco, Direttore del Institute for Quantum Control al Peter Grünberg Institute Forschungszentrum Jülich nel suo key speech. “Ci stiamo avviando alla seconda rivoluzione quantistica”, sintetizza. La prima è già in atto, come possiamo verificare nell’uso quotidiano di sistemi basati su transistor e fibre ottiche. “La prossima rivoluzione deriva dalla capacità di manipolare singoli elettroni, fotoni, atomi e molecole che consentirà di sviluppare nuovi dispositivi”, aggiunge.
Calarco riassume le due caratteristiche dei sistemi quantistici che permettono di sviluppare le nuove tecnologie:
- la sovrapposizione (superposition), ossia la presenza contemporanea di due stati, utilizzabile per aumentare la potenza di calcolo;
- la correlazione quantistica (entaglement), applicabile su due sistemi che la manterranno anche a distanza.
Le potenziali applicazioni delle tecnologia quantistica che derivano dalla capacità di manipolare le singole particelle quantistiche sono molteplici: si va dagli orologi ultra precisi, ai gps che individuano la posizione entro alcuni millimetri, alla sensoristica quantistica per raccogliere immagini, per esempio, in ambito medico o per la prospezione geologica. Di particolare interesse risultano soprattutto i campi della comunicazione e della computazione.
Le opportunità offerte dalla comunicazione quantistica
L’entaglement consente di separare due oggetti quantistici correlati. In sintesi, misurandone uno, consente di conoscere anche la misura dell’altro anche a grande a distanza. La Cina ha recentemente concretizzato la comunicazione quantistica sia via satellite, sia a livello terrestre, con una rete da circa duemila chilometri fra Pechino e Shangai. L’obiettivo dichiarato è quello di realizzare reti di comunicazione sicure. Un’iniziativa analoga è presente a livello europeo, per ora solo in Germania.
La possibilità di trasmettere fotoni singoli, rende di fatto possibile realizzare trasmissioni a distanza protette da sistemi di codifica quantistica non decrittabili. “Se codifico i bit utilizzando migliaia di fotoni per ciascuno, come oggi accade, risulta difficile scoprire se qualcuno ascolta le comunicazioni o interferisce in qualche modo”, esemplifica Calarco. Operando con fotoni singoli che, per le leggi della meccanica quantistica, non possono essere suddivisi né misurati senza essere scoperti, i due estremi della comunicazione possono verificare se il canale è sicuro e se tutta l’informazione arriva integra.
“Lo scorso anno, in occasione del G20 a Trieste ho avuto io stesso l’opportunità di presentare ai ministri dell’innovazione e della ricerca la prima dimostrazione al mondo di una infrastruttura quantistica di comunicazione fra tre diversi paesi (Italia, Slovenia e Croazia), punto di partenza verso l’interconnessione europea quantistica”, aggiunge il ricercatore.
Il futuro della computazione quantistica
L’altra caratteristica degli oggetti quantistici, la sovrapposizione, rende possibile la possibilità per il qbit di assumere contemporaneamente più stati (anziché 0 oppure 1) e consente di conseguenza l’espansione esponenziale dello spazio computazionale, con la possibilità di rappresentare molteplici soluzioni. Un esempio è la ricerca del percorso ottimale per l’uscita da un labirinto o, più concretamente, la soluzione di problemi di logistica complessi, su cui un anche un grande operatore come DHL sta lavorando per ottimizzare i percorsi.
L’approccio tradizionale verifica un percorso dopo l’altro, in sequenza. La logica basta su qbit consente invece, a ciascun bivio, di verificare contemporaneamente il percorso di destra e di sinistra, riuscendo ad arrivare alla soluzione in un solo run. “Occorre però un’adeguata elaborazione algoritmica per poter sfruttare il potere della tecnologia quantistica” avverte Calarco. “Visto che la misura disturba il sistema, servono procedure intelligenti e algoritmi quantistici adeguati, che cominciano a essere disponibili”.
La prima dimostrazione pratica di un computer quantistico è stata fatta da IBM al CES di Las Vegas 2019, oggi diventato un prodotto commerciale da alcune decine di qbit. Lo stesso anno Google ha provato la cosiddetta “supremazia quantistica”: il suo computer ha risolto in 200 secondi (e un consumo 14 Megawatt) un problema (random certification) che il più potente computer al mondo disponibile avrebbe impiegato diecimila anni a risolvere. L’Accademia Cinese delle Scienze è andata oltre, nel 2021, risolvendo con una macchina quantistica in 200 secondi un problema (boson sampling) che un supercomputer tradizionale avrebbe impiegato 2,5 miliardi di anni a risolvere.
A livello europeo è stato presentato dal governo francese il primo computer quantistico, prodotto dalla startup Pasqal e basato sull’uso degli atomi di Rydberg, una tecnologia diversa da quella impiegata dalle precedenti macchine quantistiche, che ha consentito di realizzare sistemi da 196 qbit.
“Mi sono fatto vendere dal produttore due computer quantistici al prezzo di uno” scherza ma non troppo Calarco. “Grazie a questa iniziativa avremo il primo nucleo dell’infrastruttura europea di comunicazione e computazione quantistica, con una macchina in Francia e una in Germania”.
L’Italia potrebbe diventare il terzo nodo con il coinvolgimento del consorzio CINECA, già designato come sede del più potente supercomputer del network europeo di supercalcolo: ospitando un esemplare di Pasqual andrebbe a costituire un centro ibrido.
Quantum flagship, da nave ammiraglia a flotta
I problemi finora affrontati sono tuttavia di tipo accademico e, per il momento, senza ricadute di utilità pratica. “Il tema è come trasferire l’algoritmica di interesse industriale su queste macchine” sottolinea il ricercatore. “È questo uno degli ambiti attuali di lavoro a cui è auspicabile anche l’Italia dia il suo contributo”.
L’iniziativa europea, partita per sviluppare la ricerca e l’eccellenza nel campo della tecnologia quantistica, sta ora puntando a fare da catalizzatore per un’industria competitiva, per sviluppare il business e attrarre investimenti. L’obiettivo è trasportare, dal laboratorio all’industria, la grande competenza europea nel campo della tecnologia quantistica secondo il percorso indicato in figura, dallo spazio della ricerca al mercato, sviluppando l’infrastruttura di computazione, comunicazione e simulazione quantistica.
