Come il telescopio consente di vedere più lontano, il quantum computing permette di computare “più lontano”. Paragonandola a uno strumento di indiscutibile importanza, Simone Severini, Quantum Computing Director per AWS, spiega in sintesi perché vale la pena puntare su questa tecnologia e come AWS ha scelto di farlo. Lo racconta durante l’evento re:Invent 2022, dove il termine “quantum” compare più di altri anni sugli schermi alle spalle dei relatori, keynote speaker compresi. Alla luce dello scenario illustrato dall’esperto, questi “camei” di informatica quantistica si trasformano in indizi su nuovi possibili orizzonti. Magari protagonisti di una prossima edizione di re:Invent.
Computer quantistico: solo se fault tolerant può offrire vantaggi concreti
Non ci è dato sapere quando: le tempistiche della corsa al quantum advantage, secondo Severini, non possono ancora essere note. Una cosa è certa, però, per AWS: “vogliamo fornire un computer quantistico realmente fault tolerant, in grado di eseguire calcoli affidabili. Una macchina che porti concreto valore agli utenti, effettuando calcoli alla scala necessaria per risolvere problemi pratici e con un livello di precisione adeguato anche per quelli più complessi, con valore sociale o commerciale”.
Ci sta lavorando l’AWS Center for quantum computing, guidato da Oskar Painter (John G Braun Professor of Applied Physics, Head of Quantum Hardware). È stato realizzato in un ex parcheggio nel campus del California Institute of Technology (CalTech) e ospita tutto ciò che serve per l’intero percorso verso il quantum advantage. Spazi per produzione, test e funzionamento dei processori quantistici, ma anche per innovare processi di controllo dei computer quantistici e far scalare le tecnologie necessarie per supportare dispositivi più grandi, come i sistemi di raffreddamento criogenico e di cablaggio.
Per correggere l’errore che tiene svegli anche i loro colleghi, in questa struttura c’è un team multidisciplinare di esperti lavora sulla tecnologia superconduttiva. “L’abbiamo scelta perché permette la realizzazione di tanti qubit in modo ripetibile e di gate quantistici molto veloci, garantendo un maggiore controllo quando iniziamo a scalarne il numero” spiega Severini.
La sfida sul tasso di errore ha a che fare con la precisione con cui si possono eseguire questi gate e c’è ancora tanto lavoro da fare. Oggi abbiamo a disposizione solo dispositivi NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), decisamente molto rumorosi e con limitata potenza di calcolo. Per sbloccarla, nell’AWS Center for quantum computing si cerca di migliorare i qubit in due modi: “fisicamente”, cercando nuovi materiali che riducono il rumore, e “tecnicamente”, individuando architetture di qubit innovative, tra cui l’uso della correzione degli errori quantistici (Quantum Error Correction, QEC). “In particolare, vogliamo rendere più efficiente la correzione degli errori nell’hardware quantistico, puntando su oscillatori armonici lineari, come i qubit Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) e i qubit ‘gatto di Schrödinger’. Oggi servono troppi qubit” precisa Severini.
Quantum network, per una comunicazione del futuro più sicura
Sempre in collaborazione con il mondo universitario, un’altra sfida scientifica intrapresa da AWS è quella dell’internet quantistico (una rete per la trasmissione di informazioni quantistiche tra processori quantistici fisicamente separati). Stavolta la sua alleata è la Harvard University che ha lanciato la Harvard Quantum Initiative (HQI), focalizzandosi su memorie quantistiche, fotonica integrata e materiali quantistici con l’obiettivo di ottenere metodi e tecnologie per il quantum networking. L’attenzione degli scienziati si sta concentrando sui ripetitori quantistici, la sua spina dorsale.
Il problema da risolvere riguarda i fotoni, elemento con cui avverrà la comunicazione quantistica. Non possono essere né copiati né amplificati, tutt’al più si perdono all’interno delle fibre ottiche entro 100 km circa. Questo porta a dover compiere un’operazione decisamente scomoda: convertirli uno per uno in informazioni classiche ogni 100-200 km. Ad Harvard, un team sta cercando di evitare questo inghippo mentre altri lavorano per collegare i ripetitori quantistici alla rete di fibre ottiche esistente e a identificare nuovi materiali che permettano un funzionamento a temperature elevate, invece che estremamente basse come quelle attualmente richieste.
L’alleanza AWS-Harvard punta anche alla formazione di una workforce “quantistica”del futuro. Ce ne sarà un forte bisogno per mettere a terra tempestivamente il valore dell’internet quantistico. La sua prima applicazione reale sarà nel campo della comunicazione. La renderà molto più sicura, perché nel passaggio di stati quantistici ogni minima intercettazione è sempre rilevabile. Sarà anche più coerente, garantendo una maggiore potenza di calcolo in grado di portare benefici anche in altri ambiti. Quello dei processi di simulazione, analisi e previsione, per esempio. Nella comunità scientifica se ne parla già utilizzando il termine “informatica quantistica cieca“, perché i calcoli sarebbero eseguiti su una nuvola quantistica senza che nessuno – comprese le parti che gestiscono la nuvola – abbia la possibilità di scoprire ciò che viene calcolato. Sarebbe una svolta per realizzare nuovi tipi di reti di sensori distribuiti, ma anche per poter realizzare processi decisionali e di votazione più sicuri.
Servizi gestiti e consulenza, per capire dove i qubit portano valore
Appassionandosi alla ricerca in campo quantistico, AWS non si è dimenticata il suo ruolo di ponte tra tecnologie innovative e i mondi ancora fermi all’era pre-qubit. Pressoché tutti: enterprise, istituzioni e consumer. Il suo Amazon Braket, infatti, è dedicato a loro e “democratizza la computazione quantistica. È un servizio di quantum computing completamente gestito, progettato per aiutare a velocizzare la ricerca scientifica e lo sviluppo di software per il calcolo quantistico” precisa Severini. Tra i principali casi d’uso ci sono la ricerca di algoritmi, il testing di diversi hardware quantistici esplorando varie opzioni (trappola ionica, superconduttori e ricottura) e la costruzione di software quantistici con un Software Development Kit (SDK) ad hoc.
Amazon Braket è anche uno degli elementi utilizzati dall’Amazon Quantum Solutions Lab, un progetto di taglio consulenziale, mirato a identificare di volta in volta le applicazioni quantistiche più promettenti, assieme all’utente stesso. Si parte identificando casi d’uso specifici su cui lavorare a ritroso per sviluppare proof-of-concept, testarli e migliorarli fino a ottenere nuovi approcci vincenti e svilupparne la proprietà intellettuale.
Tra i progetti realizzati, quello nel mondo finance, per il rilevamento delle frodi, e quello nell’automotive, per l’ottimizzazione del processo di verniciatura binaria.
Un esempio del modo di operare del Lab è la BMW Group Quantum Computing Challenge. Sfruttando un approccio di crowd-science innovation, AWS ha collaborato con BMW Group per sviluppare soluzioni quantistiche e vincere quattro sfide automotive specifiche: migliorare la configurazione del veicolo prima della produzione, minimizzare la deformazione dei materiali in produzione, ottimizzare il posizionamento dei sensori e sfruttare il ML per valutazioni di qualità. Quattro i vincitori, uno per area, su oltre 70 idee proposte e sviluppate tramite strumenti AWS, Amazon Braket in primis. Il risultato più prezioso è stata, però, la conferma del successo del modello e dell’approccio open adottati. Sarebbero ciò su cui puntare, mentre si cerca di vincere le sfide, apparentemente insormontabili, che oggi questa nuova tecnologia propone.
