Immaginatevi di trovarvi in un labirinto molto intricato. Per trovare il sentiero che dall’entrata conduce all’uscita avete due possibilità. Una è camminare e percorrere tutte le strade possibili, con pazienza e una buona dose di tempo richiesta. L’altra invece è fare la stessa cosa, ma in modo diverso: provare tutte quante le vie, ma contemporaneamente.
Questo esempio rende l’idea della radicale diversità, fisica e di conseguenza tecnologica, tra un computer tradizionale e uno quantistico, frontiera della ricerca e dell’industria nella quale l’Italia si è conquistata un ruolo di primissimo piano a livello mondiale.
Dai bit a quibit
«La differenza principale è che una macchina normale utilizza come unità di base i bit – spiega il fisico Antonio Zoccoli, presidente dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) di Frascati (Roma) e del Centro nazionale di ricerca in High performance computing, Big data e Quantum computing (Icsc, quartier generale a Bologna) –. Questi possono avere solo due stati possibili, 0 e 1, e a seconda delle combinazioni immagazziniamo le informazioni in metrica binaria».
Nei nuovi «supercomputer» però tutto cambia. Qui entrano in gioco la meccanica quantistica – teoria fisica che descrive il comportamento della materia e dell’energia nel mondo microscopico, come atomi e particelle elementari, e dove le classiche leggi della fisica non sono adeguate –, e i qubit (quantum bit). «Sono una combinazione lineare di 0 e 1 (un qubit può essere 0, 1 o una sovrapposizione dei due), con una certa probabilità di essere in entrambi gli stati fino al momento della misura».
L'informazione è quindi codificata nello stato quantico dei qubit. Questi, oltre a trovarsi in una sovrapposizione degli stati 0 e 1, possono essere correlati tra loro tramite «entanglement» (o correlazione), formando un unico stato quantico e facendo sì che il sistema sia in grado di rappresentare simultaneamente un numero enorme di configurazioni possibili che gli algoritmi quantistici sfruttano per affrontare specifiche classi di problemi. In poche parole: cerca tutte le strade possibili per uscire dal labirinto, nello stesso momento.
«Questa modalità permette di immagazzinare una mole gigantesca di informazioni - e quindi opera in modo estremamente più veloce – rispetto al sistema tradizionale. Ma per farlo serve una tecnologia completamente diversa da quella dei computer tradizionali – aggiunge Zoccoli –. Nel quantum computing non ci sono chip, non è l’elettromagnetismo a permetterne il funzionamento, bensì è necessario creare una macchina che lavori a livello atomico con le regole della meccanica quantistica».
Possibilità
Tale computer perciò è «strutturalmente e geometricamente differente dal tradizionale – rimarca –. Esistono diverse tecnologie per realizzare i qubit, tra cui atomi neutri, ioni intrappolati e circuiti superconduttori. Ognuna utilizza differenti tecniche per preparare, manipolare e leggere gli stati quantici, richiedendo infrastrutture sperimentali altamente specializzate».
Secondo il presidente dell’Infn al momento però «non esistono computer quantistici che possano sostituire in tutto la macchina classica. È vero che riescono a risolvere determinati problemi in tempo molto più breve, ma portano vantaggi in alcuni ambiti (per esempio sui modelli meteorologici, nella fisica delle particelle, nella crittografia o nel machine learning e sull’intelligenza artificiale, ndr), mente in altri non ancora». E come detto lo sviluppo è ancora in una fase di ricerca ed esplorazione. «L’obiettivo è realizzare una tecnologia affidabile e competitiva, capace di affrontare il maggior numero possibile di problemi – evidenzia Zoccoli –, sebbene non sappiamo ancora quale sarà la metodologia destinata ad affermarsi».
Proprio questa incertezza rende il settore particolarmente dinamico, poiché nessuna azienda gode di un vantaggio competitivo definitivo, come avvenuto in passato nei computer tradizionali con Ibm, Apple o Nvidia, e la corsa è ancora aperta, alimentata da ingenti investimenti privati e pubblici. «Per i fondi di venture capital è un campo estremamente appetibile, un po’ come la fusione nucleare – osserva –. Ma accanto ai capitali delle imprese anche l’attore pubblico si muove, perché resta fondamentale il ruolo della ricerca, chiamata a sviluppare competenze e affrontare le sfide scientifiche ancora irrisolte».
Il ruolo dell’Italia
Ed è qui che entra in gioco l’Italia, attore di primaria importanza sul palcoscenico globale, «molto avanzata e perfettamente al passo col resto del mondo – spiega –, che si è dotata di una Strategia italiana per le tecnologie quantistiche, allineandosi alle indicazioni europee». Nel Paese sono presenti diverse macchine, al Politecnico di Torino così come all’Università Federico II di Napoli, sebbene il fulcro sia il Dama-Tecnopolo di Bologna, dove si trova anche il celebre «Leonardo» gestito dal consorzio Cineca.
«Grazie a forti investimenti, sostenuti dal Pnrr – conferma Zoccoli –, il Ministero dell’Università e della Ricerca ha creato cinque centri Hpc (High performance computing)». Entrando nello specifico a Bologna sono stati acquistati due computer quantistici, del valore ciascuno di decine di milioni di euro, e cioè un Iqm basato su tecnologia superconduttiva da 54 qubit (chiamato Nox) e un Pasqal da 150 qubit – che possono salire a 200 – che sfrutta la tecnologia degli atomi neutri (Sol). «È importante che entrambe le macchine siano prodotte interamente in Europa, una in Finlandia l’altra in Francia – aggiunge il presidente dell’Infn –, perché è fondamentale sviluppare e rafforzare una strategia tecnologica europea. Anche con le recenti crisi, da quella dei chip fino al caos energetico, si è capito che dipendere da altre parti del mondo è pericoloso: il nostro continente deve essere indipendente».
Ricerca
Ancora una volta centrale è perciò la ricerca, con il Centro nazionale di ricerca in High performance computing, Big data e Quantum computing (Icsc) guidato da Zoccoli che rappresenta l’avanguardia per il comparto nazionale. «Non abbiamo solo acquistato macchine commerciali ma investito in quattro laboratori – a Napoli, Roma, Firenze e Padova – dove invece produciamo direttamente i qubit sfruttando varie tecnologie: circuiti superconduttori, laser, atomi neutri o ioni confinati».
Perché in un mondo dove i computer quantistici diventeranno uno degli aghi della bilancia della competitività di un Paese, e non solamente dal punto di vista economico, «dobbiamo imparare la lezione che ci è stata impartita: è fondamentale essere indipendenti».
