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      ...oltre al suo impiego, combinando bit, neuroni e qubit ovvero super computer, intelligenza artificiale e computer quantistici, si ottiene e si otterrà sempre di più una "discovery accelerata" applicabile alla ricerca tecnologica e non solo.

 

Sempre più aziende e centri di ricerca investono capitale sullo sviluppo del cosiddetto "quantum computing". A partire dal 2018, la Quantum Flagship Iniziative europea, ha messo in campo un miliardo di euro in dieci anni.

Lanciando una rapida occhiata altrove, notiamo che il colosso IBM, in occasione del Consumer Electronics Show di Las Vegas 2019, ha lanciato il modello "IBM Q System One", il primo computer quantistico in ambito commerciale. Un esempio che ci mostra chiaramente come il quantum computing e la fisica subatomica facciano già parte del mondo del business. Non è un caso che il computer quantistico targato IBM, mediante cloud, può già essere impiegato nelle aziende per applicazioni commerciali (crittografia, farmaco personalizzato, modelli finanziari e previsioni meteorologiche).

In California, Google possiede un laboratorio di ricerca dedicato allo sviluppo quantistico (Quantum Artificial Intelligence Lab), per l'integrazione dell'intelligenza artificiale al calcolo quantistico, lavoro principalmente finalizzato allo sviluppo di semiconduttori ed algoritmi dedicati. John Martinis, direttore nonché uno dei massimi esperti in ambito di ricerca quantistica, ha dichiarato recentemente che Google è prossima alla creazione di un computer in grado di dimostrare la netta superiorità del calcolatore quantistico rispetto ai super computer tradizionali (quantum supremacy).

I cosiddetti "quantum computer" sono calcolatori che sfruttano sia le leggi della fisica che della meccanica quantistica per lo studio delle particelle subatomiche. L'unità fondamentale è il "qubit" o bit quantistico, legato allo stato in cui si trova una particella o un atomo, le cui peculiarità consentono di svolgere calcoli velocissimi. Nel metodo computazionale classico, ogni bit è rappresentato da zero o uno (sistema binario) mentre nel computing quantistico, il qubit, sfruttando le leggi della meccanica quantistica, può essere contemporaneamente zero e uno. Un bit classico immagazzina un valore binario (0 oppure 1), un qubit, può immagazzinare un’arbitraria sovrapposizione di stati di 0 e di 1. Tutto ciò è reso possibile grazie alla sovrapposizione degli stati quantistici, peculiarità che abilita i calcoli in parallelo anziché un calcolo alla volta, moltiplicando esponenzialmente potenza e velocità anche per calcoli complessi, riducendo notevolmente i tempi di elaborazione da anni a minuti. Oltre alla sovrapposizione di stati, i qubit hanno ulteriori proprietà che derivano dalle leggi della fisica quantistica come l'"entanglement" o correlazione tra un qubit ed un altro, da cui deriva una forte accelerazione nel processo di calcolo avviato.

Al centro delle potenzialità rivoluzionarie del quantum computing, c’è quindi il qubit, elemento base di un computer quantistico. Le tecnologie sviluppate dalla fisica fondamentale per gli acceleratori possono essere utilizzate per realizzare nuovi tipi di qubit, capaci di conservare intatta l’informazione immagazzinata per tempi molto più lunghi di quanto sia possibile attualmente, consentendo così l’applicazione dei computer quantistici per la risoluzione di problemi complessi.

Oltre all’iniziativa americana, in Europa si sta muovendo in parallelo e con obiettivi simili, la Quantum Flagship, supportata dalla EU in ambito di Horizon 2020 e Horizon Europe. Uno dei problemi attualmente più importanti nella scienza della computazione quantistica è quello di estendere il cosiddetto "tempo di coerenza", il tempo cioè in cui un qubit (bit quantistico) mantiene inalterate le informazioni contenute. Comprendere e mitigare le fonti che generano la "decoerenza" dei qubit è fondamentale per l’ingegneria dei futuri computer e sensori quantistici. Lo stesso vale per i sensori quantistici, il cui spettro di sensibilità dovrà permettere di affrontare questioni da tempo irrisolte in molti campi della scienza. Il superamento di queste limitazioni avrà un grande impatto in diversi ambiti, dalle scienze della vita alla biologia, dalla medicina alla sicurezza, consentendo inoltre misure di incomparabile precisione e sensibilità nella scienza di base.

Lo stato subatomico genererebbe però delle problematiche che il quantum computing deve superare. La prima sfida è il mantenimento della qualità dei qubit, tendenti a perdere rapidamente le qualità quantiche in circa cento microsecondi, a causa di fattori quali le vibrazioni, le fluttuazioni della temperatura ambientale e le onde elettromagnetiche. Le particelle sono volatili e fragili, infatti cambiano stato, con conseguente perdita di dati ed informazioni utili al processo di calcolo. Per il funzionamento della tecnologia quantistica, sono inoltre necessarie temperature vicino allo zero assoluto (di circa -273°C). Attualmente, il metodo più comune per ottenere queste temperature è l'utilizzo di gas liquefatti (ad esempio l’isotopo elio-3), sistema assai oneroso. A tal proposito, un team di ricercatori della TUM (Technical University of Munich) ha sviluppato un sistema di raffreddamento magnetico per temperature estremamente basse, adatto per l’elettronica quantistica e già commercializzato dalla startup Kiutra; metodo alternativo che eviterebbe il ricorso all’elio-3.

Nel 2001, l'IBM inaugurò l’era dei computer quantistici mediante la creazione di un elaboratore quantistico a 7 qubit presso l'Almaden Research Center.

Nel 2017, sempre IBM realizza e rende operativi due computer quantistici rispettivamente a 16 e 17 qubit.

Nel febbraio 2019, la medesima azienda annuncia al CES di Las Vegas, un computer da 20 qubit ma nei laboratori arriva a simulare il funzionamento del computer quantistico a 56 qubit, un livello considerato da super computer, mentre nell'ottobre 2019, inserisce un computer da 53 qubit tra le sue super macchine quantistiche.

Ad oggi, IBM possiede diciotto sistemi quantici che mette a disposizione della sua community e dei suoi clienti. Gli utenti sono più di duecentomila, tra cui più di cento clienti della rete "IBM Q Network", che collaborano sulla ricerca fondamentale nell’informatica quantistica, sullo sviluppo di applicazioni per il quantum computing in settori industriali diversi e sulla formazione dei prossimi ingegneri ed esperti quantistici. IBM non lavora solo allo sviluppo dell’hardware per il quantum ma guida lo sviluppo di un software open source chiamato "Qiskit", software scritto principalmente in linguaggio Python.

Al CES 2019, IBM ha presentato il "Q System One", il primo sistema integrato universale di elaborazione quantistica, progettato sia per la ricerca scientifica che per l’uso commerciale e ha annunciato l’apertura del suo primo Quantum Computation Center a Poughkeepsie (New York), dove saranno ospitati alcuni dei più avanzati sistemi quantistici di IBM basati su "IBM Cloud". Questi sistemi saranno aperti ai membri di "IBM Q Network", programma commerciale di quantum computing di IBM. Nel suo nuovo sistema integrato, l'azienda ha previsto una serie di componenti custom quali hardware quantistico per produrre qubit di qualità, ingegneria criogenica, per mantenere isolato e opportunamente raffreddato l’ambiente quantico, elettronica di alta precisione, firmware quantistico per la gestione e gli aggiornamenti automatici, più computazione classica per fornire accesso sicuro al cloud.

Il Department of Energy (DOE) degli Stati Uniti finanzia (115 milioni di dollari in cinque anni ) il Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS) con sede e coordinamento al Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) di Chicago. L’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano) parteciperà al progetto con il suo know-how scientifico e tecnologico, realizzando anche una facility per dispositivi quantistici nei suoi Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Il Fermilab di Chicago, di cui è Direttore Nigel Lockyer, è il laboratorio selezionato per guidare uno dei cinque centri nazionali che, nell’ambito della National Quantum Initiative statunitense, lavoreranno per portare progressi trasformativi nella scienza dell’informazione quantistica.

Al Fermilab lavorano oltre centocinquanta ricercatori italiani e collaborano importanti aziende italiane leader nelle tecnologie di frontiera. I fisici italiani, presenti con ruoli di rilievo sin dagli anni ’80, sono impegnati in esperimenti nello studio dei neutrini, con gli esperimenti "NOvA", "ICARUS" e "LBNF/DUNE" e i muoni con gli esperimenti "Muon g-2 and Mu2e".

Anna Grassellino, ricercatrice del Fermilab che ha iniziato la sua carriera all’INFN, di cui è Presidente Antonio Zoccoli, al SQMS avrà il compito di guidare lo sviluppo di un computer quantistico d’avanguardia, con prestazioni mai raggiunte sinora e basato su tecnologie superconduttive. Inoltre, il centro svilupperà nuovi sensori quantistici con importanti applicazioni nella fisica fondamentale, nella ricerca sulla materia oscura ed altre particelle esotiche.

L’INFN, con un contributo da parte del DOE di circa 1,6 milioni di dollari, contribuirà al progetto grazie al suo "know-how" competitivo a livello mondiale in fisica teorica, nelle tecnologie superconduttive, criogeniche e nello sviluppo di rivelatori. Nell’ambito di SQMS, da evidenziare la realizzazione di una facility per misure, test e validazione dei dispositivi quantistici ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, unica sede al mondo per attività a bassissime radioattività ambientali e per le riconosciute competenze in ambito criogenico. L’impiego dei dispositivi quantistici realizzati da SQMS, consentirà all’INFN di sviluppare rivelatori più sensibili per l’osservazione di particelle esotiche che potranno essere impiegati, per esempio, in esperimenti sulla materia oscura. Una delle aspettative è quella che i risultati del progetto possano aprire la strada a studi teorici più accurati di fisica fondamentale e possano rivoluzionare le metodologie di analisi dei dati dei grandi esperimenti agli acceleratori. Sicuramente le migliori prestazioni di calcolo potranno fornire un contributo sostanziale anche in altri ambiti tecnico-scientifici, quali ad esempio la biologia e le biotecnologie.


Partners del Superconducting Quantum Materials and Systems Center:

Ames Laboratory del DOE, Colorado School of Mines, Fermi National Accelerator Laboratory, Goldman Sachs, Illinois Institute of Technology, Italian National Institute for Nuclear Physics, Janis Research, Johns Hopkins University, Lockheed Martin, NASA Ames Research Center, National Institute of Standards and Technology, Northwestern University, Rigetti Computing, Stanford University, Temple University, Unitary Fund, University of Arizona, University of Colorado Boulder, University of Illinois-Urbana Champaign.

 

Andrea Sicco

 

1/20/2021 03:05:00 PM

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