Benvenuti al nostro consueto appuntamento con la rubrica tecnologica. Spesso guardiamo oltreoceano per raccontare le grandi rivoluzioni informatiche, ma oggi l'eccellenza che esploriamo parla orgogliosamente italiano. Ospitiamo sulle nostre pagine due figure illustri dell'Università Federico II di Napoli: il professor Davide Massarotti, docente di Fisica Sperimentale, e la dottoressa Ahmad Halima Giovanna, ricercatrice in Fisica della Materia. All'interno di un importante progetto legato al PNRR, il polo di Napoli ha raggiunto un traguardo storico: la costruzione del primo computer quantistico superconduttivo pubblico in Italia. E lo ha fatto superando ogni aspettativa, implementando un processore da ben 25 Qbit. In questa prima parte dell'intervista, sveleremo i misteri del calcolo quantistico, esplorando concetti affascinanti come l'entanglement e scoprendo perché queste potentissime macchine necessitano di essere "congelate" a un centesimo di grado Kelvin per poter funzionare.
Marco Secco: Buongiorno a tutti. Oggi ospitiamo due figure illustri dell'Università Federico II di Napoli: il professor Davide Massarotti, docente di Fisica Sperimentale, e la dottoressa Ahmad, ricercatrice in Fisica della Materia. Iniziamo con le presentazioni: raccontateci di cosa si occupa il vostro dipartimento, cosa si sta costruendo nel vostro laboratorio in collaborazione con l'INFN e perché rappresenta un centro così importante per la ricerca italiana.
Prof. Massarotti: Negli ultimi anni, nell'ambito di un importante progetto PNRR, è stato fondato il centro nazionale ICSC per l'High Performance Computing, composto da diversi SPOKE. Uno di questi è lo SPOKE 10, dedicato alla computazione quantistica. Sul territorio italiano sono stati selezionati diversi poli per lo studio e lo sviluppo di hardware e software per l'informazione quantistica. Tra questi, spicca il polo di Napoli per lo sviluppo della computazione quantistica a superconduttori. Esistono ovviamente anche altri poli, poiché il computer quantistico può essere costruito utilizzando piattaforme diverse: ad esempio, per quella fotonica o ad atomi freddi ci sono le università di Roma e Firenze, mentre per la parte software c'è il polo di Padova. A Napoli, grazie alla forte tradizione nell'ambito della superconduttività avviata dal professor Antonio Barone, abbiamo costruito il primo computer quantistico superconduttivo pubblico in Italia. Abbiamo persino superato gli obiettivi iniziali del progetto: anziché limitarci a una piattaforma da 5 quantum bit, attualmente utilizziamo un processore con ben 25 Qbit.
Marco Secco: Perfetto, molto chiaro; è sempre un'ottima cosa vedere i traguardi della ricerca in Italia. Spieghiamo a chi ci segue qual è la vera differenza tra i computer che usiamo tutti i giorni e un computer quantistico, e perché quest'ultimo è considerato così potente.
Prof. Massarotti: Il computer quantistico è radicalmente diverso dal computer classico. La sua unità di base è il quantum bit (o Qbit), l'analogo quantistico del bit. Sfruttare le proprietà quantistiche di piattaforme come quella superconduttiva significa adottare un paradigma di calcolo intrinsecamente parallelo. Questo ci permetterà, in teoria, di affrontare problemi con un numero elevatissimo di variabili che attualmente i supercalcolatori non riescono a risolvere in tempi adatti alla vita umana. Lavorando in parallelo, il computer quantistico dovrebbe essere in grado di raggiungere la soluzione ottimale in un tempo estremamente limitato.
Marco Secco: Quindi i computer quantistici possono eseguire calcoli in parallelo grazie a determinate leggi della fisica; è come se una moneta potesse essere sia testa che croce nello stesso momento. Potete spiegarci come funziona questo meccanismo che a noi risulta un po' oscuro?
Dott.ssa Ahmad: Ci sono due meccanismi fondamentali alla base del vantaggio della computazione quantistica e della sua parallelizzazione intrinseca: la sovrapposizione e l'entanglement. Per il primo, pensiamo a un'unità di informazione isolata, codificata nel Qbit. Questo oggetto, ad esempio un atomo, può trovarsi nel suo stato a riposo (stato fondamentale) o nel primo livello eccitato. Chiamiamo questi stati "0" e "1", in modo simile ai bit classici. Tuttavia, per effetto della sovrapposizione quantistica, un Qbit può trovarsi anche in una sovrapposizione di questi due stati. Possiamo immaginarlo come una sfera in cui i poli Nord e Sud rappresentano lo stato 0 e lo stato 1, mentre tutta la superficie racchiude gli altri stati intermedi. Un bit classico non può accedere a questa superficie, un Qbit sì. È proprio come l'esempio della moneta: è come essere contemporaneamente nello stato di testa e croce. L'entanglement, invece, è un concetto meno intuitivo che si verifica quando si lavora con più Qbit. Se questi interagiscono e si accoppiano, si genera una correlazione nel tempo e nello spazio. Lo stato di un Qbit finisce per dipendere da quello del suo compagno, risultando "intrecciati" (da qui il termine entanglement). Di conseguenza, generalizzando a molti Qbit, controllare lo stato di un Qbit collegato a un altro significa controllare automaticamente anche quest'ultimo, e così via.
Marco Secco: Abbiamo capito che l'unità di base è il Qbit, ma fisicamente di cosa si tratta? Da informatico tradizionale, riesco a trovare lo 0 e l'1 misurando la differenza di tensione in un segnale. Ma come riesco a focalizzare e interpretare lo 0 e l'1 in questa "sfera" quantistica?
Dott.ssa Ahmad: Diventa più facile capirlo pensando a come si costruiscono fisicamente i Qbit. L'atomo è l'oggetto quantistico per eccellenza, obbedisce alle leggi della meccanica quantistica e può generare sovrapposizione ed entanglement. I due stati (0 e 1) non sono altro che i livelli energetici dell'atomo, e noi controlliamo le transizioni tra di essi. Esistono però diverse piattaforme: se prendiamo lo spin (un altro elemento puramente quantistico), possiamo interpretare lo stato spin up come 0 e lo spin down come 1. Con il fotone si gioca invece sulle polarizzazioni. Noi lavoriamo con la tecnologia a superconduttori: si tratta di oggetti costruiti su chip che si implementano artificialmente in laboratorio e si comportano esattamente come atomi, pur essendo su scala macroscopica. Per semplificare, il Qbit superconduttivo non è altro che un circuito elettrico.
Marco Secco: Bene, ora è più chiaro. Permettetemi un'analogia: cercando immagini su Google, i computer quantistici sembrano dei grandi lampadari dorati. Sappiamo che devono lavorare a temperature prossime allo zero assoluto, ma perché? E cosa succede se si scaldano anche solo un po'?
Prof. Massarotti: Utilizzando circuiti elettrici (che normalmente non mostrano effetti quantistici), dobbiamo impiegare materiali superconduttori e "congelare" le fluttuazioni termiche e le proprietà classiche della materia. Per far emergere le proprietà quantistiche a livello macroscopico, dobbiamo scendere a temperature prossime allo zero assoluto, circa un centesimo di grado Kelvin. Quei "lampadari" sono in realtà dei frigoriferi estremamente potenti. A quelle temperature, i circuiti superconduttivi si comportano come atomi macroscopici. Per dare un'idea, l'anno scorso il premio Nobel per la Fisica è stato assegnato a Devoret, Martinis e Clarke proprio per la prima misura delle proprietà quantistiche di un circuito elettrico. Questi frigoriferi ci permettono inoltre di controllare e leggere lo stato del Qbit, implementando le prime operazioni logiche.
Marco Secco: Passiamo alla programmazione. Programmare un computer tradizionale è pratica comune, ma come si fa a programmare un computer quantistico secondo un preciso algoritmo e a interpretarne i risultati?
Dott.ssa Ahmad: È una bella domanda, poiché ci si sta ancora lavorando in vari modi. L'approccio più comune è prendere un problema classico e codificarlo in operazioni logiche quantistiche applicabili a un registro di Qbit. Dato che esistono molte macchine con geometrie e caratteristiche diverse, si cerca il modo migliore per implementare quel problema specifico. Il processo di adattamento dell'algoritmo si chiama "traspilazione", ovvero la traduzione del problema teorico per la macchina reale. Ci sono vari approcci per farlo, alcuni usano persino il machine learning. Operativamente, si esegue prima una simulazione per capire cosa aspettarsi, poi si applica il problema alla macchina. Poiché la macchina genera un rumore intrinseco, l'algoritmo va riadattato tenendone conto. Non è un compito facile e non c'è ancora una risposta univoca su come si usi un computer quantistico.
Marco Secco: Ha parlato di machine learning. Come vedete l'interazione tra computer quantistici e intelligenza artificiale?
Dott.ssa Ahmad: Il rapporto è duplice. Da un lato, il computer quantistico può fungere da assistente per l'IA, rendendola più efficiente energeticamente. Un computer quantistico a 100 Qbit consuma decine di kilowatt, mentre un centro di calcolo classico ne richiede decine di megawatt. Affidare alcuni algoritmi al calcolo quantistico offrirebbe una soluzione molto più "green". Dall'altro lato, l'IA può migliorare le prestazioni dei computer quantistici attuali. Questi sistemi richiedono complessi protocolli di ottimizzazione e calibrazione per ridurre il rumore. L'IA può imparare a modellizzare il comportamento della macchina, velocizzandone il processo di calibrazione. Vanno quindi di pari passo.
Marco Secco: Parliamo ora di business: in quali settori le imprese potranno utilizzare questa tecnologia e come vi accederanno? Aziende come Google e IBM affittano già capacità di calcolo quantistico; sarà questa la nuova frontiera?
Prof. Massarotti: L'idea originaria, risalente agli anni '80 con Richard Feynman, nasceva dalla difficoltà di simulare sistemi complessi e quantistici (come atomi o molecole) con calcolatori classici. L'obiettivo del computer quantistico è proprio simulare questi sistemi, con un impatto immediato in medicina, biologia e chimica, ad esempio per sintetizzare nuovi farmaci o materiali. Inoltre, la capacità di ottimizzazione rapida dei computer quantistici risulta utile in campi con tantissime variabili, come la distribuzione energetica o la finanza. Riguardo all'accesso, è vero che aziende come IBM e Google offrono l'affitto dei propri processori. Tuttavia, è cruciale rivendicare il ruolo di università e centri di ricerca nella costruzione di sistemi pubblici e accessibili. È fondamentale raggiungere un'autonomia nel settore affinché queste risorse non restino nelle mani di pochi player. La collaborazione tra ricerca e industria è vitale per diffondere le competenze hardware e software.
Marco Secco: Costruire questi computer sembra un'impresa titanica e costosa. L'Italia e l'INFN possono farcela da soli o è necessario unire le forze a livello europeo?
Prof. Massarotti: Bisogna farlo insieme. Ci sono programmi strategici europei dedicati alle tecnologie quantistiche, di cui la computazione è uno dei pilastri. Considerando le diverse piattaforme quantistiche in fase di sviluppo, è fondamentale mantenere un cammino condiviso e parallelo, perché le tecnologie imparano l'una dall'altra. Una strategia comune, che vada oltre il singolo Paese o ente, è indispensabile.
Marco Secco: Siamo in conclusione. Possiamo dare un'indicazione temporale su quando utilizzeremo realmente un computer quantistico nella vita quotidiana? Quali ostacoli rimangono?
Dott.ssa Ahmad: Per l'utente medio bisognerà aspettare ancora un po'. Soluzioni come laptop o smartphone quantistici non sono contemplate; si punta soprattutto al cloud. Piattaforme come Amazon Braket permettono già l'accesso, ma i problemi risolvibili oggi sono solo prove di concetto (proof of concept), nulla di applicabile alla quotidianità complessa. Attualmente si usano in applicazioni embrionali, come la chimica quantistica o i sistemi di intelligenza artificiale. L'ostacolo principale da risolvere è la scalabilità. I grandi attori del mercato hanno roadmap chiare: IBM punta a oltre 16.000 Qbit per il 2033, Pasqal a 10.000 per l'anno prossimo, mentre Google scommette su un computer quantistico fault tolerant (tollerante agli errori) entro il 2029. Anche dal lato software bisogna crescere, poiché gli algoritmi e la loro integrazione nei sistemi classici sono ancora agli albori. Si punta a supercomputer "quantum-centrici", dove il quantistico si affianca ai centri HPC classici (approccio adottato anche in Italia dal CINECA). L'obiettivo è colmare questo gap esplorativo per fornire all'utente interfacce fruibili nel prossimo futuro. Aumentare i Qbit aumenta la potenza di calcolo, ma complica la gestione degli errori; tuttavia, così come i transistor hanno rivoluzionato i vecchi computer a valvole, lo stesso salto tecnologico potrà avvenire per i computer quantistici.
Marco Secco: Grazie, per il computer quantistico su Amazon dovrò aspettare! Vi ringrazio per questa prima parte di intervista e do appuntamento ai nostri lettori per la prossima puntata, in cui approfondiremo il funzionamento tecnico. Grazie al professor Massarotti e alla dottoressa Ahmad.
Per maggiori informazioni:
Sito web: www.seccomarco.com