Una sessione del convegno “Quantum technologies: la velocità corre sul qbit” si è focalizzata sulla situazione internazionale della tecnologia quantistica. Per spiegare l’attuale stato dell’arte del computer quantistico (QC), riassumiamo con Paolo Cremonesi, professore associato di Computer Science Engineering del Politecnico di Milano, i principi fondamentali che caratterizzano la tecnologia quantistica.
La superposition consente, a un oggetto quantistico, di assumere contemporaneamente più stati, ma collassa in uno stato definito quando viene “letto”.
L’entanglement mantiene il collegamento fra due particelle quantistiche anche su lunghe distanze, proprietà utile per creare comunicazioni sicure.
La decoherence, o perdita di coerenza, è una proprietà negativa che tende ad annullare gli effetti della superposition, legata al fatto che le proprietà utili sopra descritte sono stabili solo per sistemi isolati.
La potenza del qbit consente di esplorare più dati contemporaneamente.
“La realizzazione pratica è molto più complessa della teoria e la costruzione di computer quantistici pone dunque molte sfide”, precisa Cremonesi. Le performance e le dimensioni del QC sono, per esempio, limitate a causa delle difficoltà di controllarlo e dell’elevata sensibilità all’ambiente esterno. Il fenomeno della perdita di coerenza, sopra definito, comporta l’annullamento della sovrapposizione degli stati e, di conseguenza, la perdita dell’informazione. Uno degli impegni della ricerca è la possibilità leggere i dati senza innescare effetti negativi.
Il futuro del quantum computing
“Nei prossimi 10-20 anni vedremo i QC non tanto come macchine a sé stanti, quanto come acceleratori per pezzi importanti di computazioni”, prevede Cremonesi. Per spiegare questa prospettiva è necessario distinguere fra vantaggio quantistico e supremazia quantistica, utilizzando come indicatore lo speedup che misura quanto un sistema riesca ad accelerare in modo significativo l’elaborazione rispetto a un sistema tradizionale avanzato.
Il vantaggio quantistico si verifica quando un computer quantistico riesce a eseguire un calcolo con una velocità significativamente superiore a quella di qualunque computer tradizionale. Si può invece parlare di “supremazia quantistica” quando lo speedup è tale da rendere possibile risolvere problemi che altrimenti non avrebbero soluzione. È il caso di un tempo di elaborazione per la risoluzione così lungo da renderla inutile. “Se la simulazione finalizzata alla creazione di un farmaco anti-COVID richiedesse 100 anni, risulterebbe preferibile ricorrere a un trial clinico – esemplifica Cremonesi – La supremazia si realizza quando si rivela attuabile nella pratica una computazione altrimenti impossibile”.
A partire da queste premesse, i due principali approcci attuali al QC sono:
Universal quantum computer che punta a creare un calcolatore general purpose, capace di risolvere qualunque problema e di raggiungere la supremazia quantistica. Sarà disponibile non prima di 10 anni e sarà dominante fra circa 20 anni. Già oggi ne esistono alcuni esemplari con capacità di circa 100 qbit. “Per avere applicazioni interessanti di qualunque tipo si ipotizza che dovrebbe arrivare almeno a un milione di qbit”, obietta Cremonesi.
Quantum Annealer è invece un approccio special purpose, che nasce per risolvere particolari problemi di ottimizzazione. Potrà basarsi su un numero di qbit, nell’ordine delle migliaia, e potrà avere applicazioni pratiche industriali nei prossimi 2-5 anni. In pratica è dimostrato il vantaggio quantistico, ma non la supremazia.
Nel breve termine, si lavora allo sviluppo di algoritmi quantistici da utilizzare su elaboratori tradizionali che consentono di aumentare l’efficienza e aiutano a prepararsi al futuro quantistico (approccio quantum inspired). L’approccio ibrido prevede invece la scomposizione di problemi complessi in parti, alcune delle quali possono essere accelerate su un computer quantistico. “Mappare un problema tradizionale su uno quantistico non sempre è facile”, conclude Cremonesi.
I qbit corrono: uno scenario internazionale
L’applicazione dei principi della meccanica quantistica al computing non è una novità; il termine computer quantistico è stato coniato nell’1980 dal Nobel per la fisica Richard Feynman. La novità degli ultimi anni è però l’accelerazione straordinaria in termini di ricerca e investimenti, sia da parte degli stati sia dell’industria privata.
Secondo l’analisi dell’Osservatorio Quantum Computing & Communication, sintetizzata da Marina Natalucci, la Cina prevede un investimento di 12 mld USD nel periodo 2014-2030, l’Europa 9 mld USD (2014-29) a cui si sommano gli investimenti dei singoli paesi (fra cui l’Italia), gli USA hanno invece stanziato 1,2 mld USD su un orizzonte più breve (18-22). “I Paesi si divideranno fra chi avrà accesso alle tecnologie e le infrastrutture abilitanti e chi sarà dipendente anche per problemi di sicurezza nazionale”, è la sfida.
Un indicatore della vitalità del QC è la crescita della ricerca accademica evidenziata dall’andamento esponenziale delle pubblicazioni. Queste hanno superato le 50mila dal 1994 (quando erano quasi inesistenti), mentre nel mondo industriale le domande di brevetto sono cresciute di circa 2000 (dalle 474 del 2015 alle 2368 del 2021). Un ulteriore impulso verrà dalla nascita di un ecosistema, ancora piccolo ma fondamentale per accelerarne l’industrializzazione. Ne fanno parte non più solo università e centri di ricerca, ma anche player del mondo digitale, startup emergenti, attori nativi QC, aziende della domanda.
Fondamentale è anche la presenza di aziende e startup native QC. Le 142, censite dall’Osservatorio a livello internazionale, hanno raccolto complessivamente 1,8 mld USD concentrati soprattutto in Usa (1.062 mld USD con 38 attori) ed Europa (338 mld USD e 64 attori). È importante precisare che i finanziamenti non provengono solo dagli stati ma anche da grandi aziende private.
L’Osservatorio ha anche censito 80 progetti QC, che coinvolgono 65 aziende, 49% dei quali sviluppati in Europa, il 29% in Usa e Canada, seguiti da Asia (19%) e Australia 3%.
Le classi di problemi affrontati riguardano:
- Ottimizzazione, dove si concentrano il 42% dei progetti
- Simulazione, che concentra il 39% dei progetti
- Pattern recognition, con il 19%
Nel mondo chimico e farmaceutico il QC viene, per esempio, utilizzato soprattutto per la simulazione finalizzata a scoprire nuovi farmaci e principi attivi, per scoprire il comportamento della malattia e per progettare materiali. Un esempio concreto è l’uso da parte di Roche di algoritmi quantistici per la ricerca di trattamenti sull’Alzheimer.
In prospettiva
L’impegno di governi e aziende nel campo del quantum computing sembra favorire un’accelerazione dello sviluppo di questa tecnologia. A breve, nell’attesa dell’avvento dell’hardware quantistico, è possibile lavorare sul software per accelerare l’industrializzazione di soluzioni basate sui principi quantistici.
Per vincere le sfide future che vedono al primo posto la riprogettazione degli algoritmi, l’evoluzione dell’hardware e degli ambienti di sviluppo, è indispensabile la creazione e il consolidamento di ecosistemi di ricerca e imprese. L’Italia deve fare la sua parte cogliendo tutte le occasioni per non restare indietro.
