Questa è una versione di un articolo pubblicato su Nòva, Il Sole 24 Ore, domenica 11 febbraio 2024 (la foto in questo articolo è la solita che riprende il computer quantistico dell’IBM; per le prossime volte tenterò di trovare qualcosa di più “europeo”)
Non è più un rompicapo che diverte soltanto i fisici. L’applicazione della meccanica quantistica all’informatica è una realtà. Google ha mostrato al pubblico, nel 2019, Sycamore: un computer quantistico che in 200 secondi risolve un problema che avrebbe impegnato il più grande calcolatore del mondo per 10mila anni. Un anno dopo il Quantum Innovation Institute dell’accademia cinese delle scienze ha affermato che la sua versione di computer quantistico è 100 mila miliardi di volte più potente di un supercalcolatore. Start up come IonQ e PsiQuantum hanno raccolto nel 2021 più 600 milioni di dollari ciascuna per sviluppare i loro progetti di computer quantistico. L’europea Pasqal, fondata tra gli altri dal premio Nobel per la fisica Alain Aspect, è già in grado di offrire un computer quantistico funzionante per applicazioni specifiche. E con la Dichiarazione europea sul computer quantistico, firmata a inizio dicembre 2023, una dozzina di stati membri e la Commissione si sono impegnati a fare tutto quello che può servire per conquistare una leadership in questa nuova frontiera tecnologica. «Questo è un treno che non abbiamo perso» dice Tommaso Calarco, direttore del Institute for Quantum Control al centro di ricerca di Jülich, in Germania, e professore all’università di Bologna.
Incontrare Calarco è come aprire una finestra sul futuro, solo per scoprire che è già molto presente: l’energia con la quale ne parla è sorretta dai risultati concreti ottenuti anche dal suo gruppo di ricerca, nel quadro di un’ondata di successi industriali e scientifici in forte accelerazione.
Ce n’era bisogno. La crescita esponenziale della capacità di elaborazione dei computer è andata di pari passo con la miniaturizzazione dei circuiti dei microprocessori. Sicché oggi si fotografano gattini con computer tascabili più potenti di quelli giganteschi che mezzo secolo fa hanno portato l’umanità a mettere piede sulla Luna. Ma da tempo si discute di quanto ancora la legge di Moore possa tenere il suo ritmo: è sempre più difficile controllare l’energia, il calore, le interferenze nei microscopici circuiti di pochi atomi che devono aprirsi e chiudersi con precisione per maneggiare i bit, le unità minime di informazione che rispondono alla domanda: “zero o uno?”
Ma seguendo l’intuizione di Richard Feynman, da tempo gli scienziati inseguono il sogno di poter costruire unità di calcolo composte da un solo atomo. Con il duplice scopo di arrivare alla massima miniaturizzazione possibile e di fare un salto di qualità nella logica dell’elaborazione elettronica: perché le informazioni che un atomo può offrire non sono solo relative alla scelta tra due stati – aperto o spento – ma riguardano anche una quantità di stati intermedi. Insomma, il linguaggio binario dell’informatica tradizionale sarebbe superato da una logica capace di gestire una matematica molto più complessa.
I problemi affrontati da chi sviluppa i calcolatori quantistici riguardano dunque sia lo hardware che il software. Dal punto di vista materiale, stanno arrivando successi che solo cinque anni fa erano tutt’altro che scontati. Per esempio: come si tengono fermi gli atomi per usarli come elaboratori? Calarco spiega che ci sono diverse strategie: si usano superconduttori o semiconduttori, laser o “pinzette ottiche”. Si possono persino usare diamanti che intrappolano singoli atomi di azoto. Nella roadmap del chips act europeo, che Calarco ha contribuito a scrivere, sono previste sei soluzioni alternative. La scelta tra le alternative dipende anche dalla necessità di ridurre interferenze ed errori. «È il lavoro che facciamo a Jülich. Ci domandiamo: come possono essere controllati e monitorati i comportamenti quantistici? Le risposte si trovano usando laser che immettono la giusta energia che serve a portare un elettrone da uno stato all’altro. E il punto è che questo non avviene istantaneamente, ma in un certo numero di nanosecondi. Se interrompiamo il processo a metà possiamo avere una sovrapposizione tra due stati dell’elettrone. Questo garantisce al computer quantistico il suo carattere specifico che consente di compiere velocemente calcoli molto complessi tenendo conto di molte alternative contemporaneamente».
Il fisico Michio Kaku, autore di “Quantum supremacy” (Allen Lane 2023), prevede che grazie a queste caratteristiche, i computer quantistici renderanno risolvibili problemi troppo complessi per i computer attuali, dalla mobilità al cambiamento climatico, dall’interazione tra le molecole e il corpo umano alla gestione dell’energia. «In realtà, con le conoscenze attuali, le applicazioni che funzionano sono soprattutto relative alla simulazione quantistica che riproduce le caratteristiche di diversi materiali» spiega Calarco. Chi dà per scontato che tutto si risolverà facilmente coltiva una prospettiva sbagliata. «Ci manca per esempio una comprensione sistematica degli algoritmi utili per il computer quantistico. La programmazione per simulare una molecola funziona ma non per l’interazione tra la molecola e il sistema. La stessa applicazione del computer quantistico all’intelligenza artificiale appare problematica proprio perché occorre eliminare gli errori». Ma è chiaro che a Jülich si stanno facendo passi da gigante. E la concretezza è dimostrata dall’interesse dell’industria: «Molti gruppi stanno investendo, dalla chimica all’automobile».
Inoltre, c’è l’impegno pubblico. La Commissione e molti stati nazionali hanno deciso dunque di investire in modo coordinato per alimentare ricerca, start up, ecosistemi industriali. E al tecnopolo di Bologna, dove c’è uno dei più grandi supercalcolatori europei, stanno già investendo per avere un computer quantistico. «Il treno non è perso» dice appunto Calarco.
Foto: “IBM Q quantum computer” by Lars Plougmann is licensed under CC BY-SA 2.0.
