Il calcolo quantistico sta progressivamente uscendo dalla dimensione della sola ricerca sperimentale per entrare in una nuova fase, nella quale le macchine quantistiche iniziano a essere integrate nelle infrastrutture di calcolo dedicate alla ricerca e all’innovazione.
Il passaggio è particolarmente significativo perché il quantum computing non si propone, almeno nell’attuale fase di sviluppo, come alternativa ai supercomputer tradizionali. L’obiettivo è piuttosto costruire sistemi ibridi, nei quali computer classici e processori quantistici possano lavorare insieme, affidando a ciascuna tecnologia i problemi per i quali risulta più adatta.
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Il quantum computing in Italia entra nelle infrastrutture
Questo percorso di integrazione tra sistemi di calcolo trova terreno fertile nell’infrastruttura gestita da CINECA al Tecnopolo DAMA di Bologna, dove ai supercalcolatori già presenti sono state affiancate due nuove risorse per il calcolo quantistico. Il quadro si è sviluppato nell’ambito delle iniziative sostenute dal PNRR e con il contributo del Centro Nazionale ICSC, finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca.
Si tratta di un tassello in un panorama italiano più ampio. Negli ultimi anni sono nate infatti diverse iniziative sul calcolo quantistico, sostenute da programmi nazionali ed europei e sviluppate da università, centri di ricerca, imprese e infrastrutture di calcolo. L’ecosistema CINECA rappresenta una di queste componenti e ha come elemento caratterizzante la possibilità di mettere in relazione direttamente risorse di supercalcolo, intelligenza artificiale, cloud e quantum computing.
NOX e SOL portano il calcolo quantistico al Tecnopolo DAMA
Al Tecnopolo DAMA di Bologna sono oggi disponibili due piattaforme quantistiche basate su tecnologie differenti: NOX, sviluppata da IQM, e SOL, realizzata da Pasqal.
Qubit superconduttivi e atomi neutri a confronto
NOX è un sistema basato su qubit superconduttivi, pensato per sperimentare algoritmi quantistici di tipo gate-based, applicabili, tra gli altri ambiti, all’ottimizzazione e alla simulazione di sistemi complessi. SOL utilizza invece atomi neutri manipolati attraverso tecniche ottiche e offre un’architettura particolarmente adatta alla sperimentazione di nuovi approcci al calcolo quantistico.
L’integrazione tra QPU e supercomputer
La presenza di macchine diverse nello stesso ambiente infrastrutturale ha un valore che va oltre la disponibilità dell’hardware. Permette infatti a ricercatori e sviluppatori di confrontare approcci tecnologici differenti e, soprattutto, di lavorare sull’integrazione tra quantum computing e calcolo classico.
È questo uno degli aspetti centrali del modello verso cui si sta orientando l’ecosistema CINECA. Il supercomputer non viene sostituito dalla QPU, il processore quantistico, ma può svolgere il ruolo di infrastruttura di supporto, gestendo le parti del calcolo che rimangono affidate alle architetture classiche e coordinando l’intero processo.
In prospettiva, quindi, il valore di queste infrastrutture non dipenderà soltanto dalle prestazioni delle singole macchine quantistiche, ma dalla capacità di inserirle in ambienti di calcolo complessi e accessibili agli utenti della ricerca.
Applicazioni e competenze del quantum computing in Italia
La domanda più importante riguarda naturalmente le applicazioni. Il calcolo quantistico viene studiato per affrontare problemi che, per la loro complessità, possono risultare difficili da trattare con le sole architetture tradizionali.
Tra gli ambiti di interesse ci sono l’ottimizzazione dei sistemi energetici, la simulazione di materiali e molecole, la chimica, le scienze della vita, la logistica e alcuni problemi di intelligenza artificiale. Non si tratta tuttavia di applicazioni già consolidate in modo generalizzato: molte sono ancora oggetto di ricerca e sperimentazione.
Dalla fase NISQ alle scienze della vita
Questa distinzione è importante. Le attuali macchine quantistiche appartengono ancora alla fase cosiddetta NISQ, caratterizzata dalla presenza di errori e da limiti nella dimensione e nella durata dei calcoli che possono essere eseguiti. Il loro impiego è quindi anche un banco di prova per comprendere quali problemi possano realmente beneficiare del paradigma quantistico.
Nel contesto CINECA, uno degli ambiti di ricerca riguarda, per esempio, l’impiego del quantum computing nella simulazione di sistemi molecolari e nelle scienze della vita, anche attraverso le attività del Centro di Eccellenza europeo QEC4QEA. Parallelamente, vengono esplorate applicazioni legate all’ottimizzazione e alla transizione energetica.
La comunità di utenti e lo sviluppo delle competenze
Un altro elemento decisivo è lo sviluppo delle competenze. Il quantum computing richiede infatti competenze che attraversano informatica, matematica, fisica e discipline applicative. La disponibilità delle macchine rappresenta quindi solo una parte della sfida: occorre costruire una comunità di utenti in grado di individuare i problemi adatti al calcolo quantistico e di sviluppare nuovi algoritmi e modalità di utilizzo.
La rete italiana del calcolo quantistico cresce nei territori
La presenza delle infrastrutture quantistiche al DAMA non esaurisce il quadro nazionale. Al contrario, uno degli elementi più interessanti della fase attuale è la crescita di una rete di competenze e infrastrutture distribuite sul territorio italiano.
Q-SUD e il collegamento tra Bologna e il Mezzogiorno
In questo scenario si colloca anche Q-SUD, iniziativa dedicata al rafforzamento delle competenze e delle infrastrutture quantistiche nel Mezzogiorno, che mette in relazione attività sviluppate nell’ambito di diversi programmi nazionali, tra cui ICSC, NQSTI e RESTART.
L’obiettivo è favorire una maggiore integrazione tra infrastrutture, università e centri di ricerca, collegando il polo di calcolo di Bologna con competenze e attività sviluppate in altri territori, tra cui quelle di Napoli, Salerno e Bari.
Sono inoltre in corso iniziative rivolte al trasferimento tecnologico e al coinvolgimento delle imprese, con l’obiettivo di accompagnare la crescita di una filiera nazionale del quantum computing.
Il quadro che emerge è quindi quello di un ecosistema ancora in evoluzione, nel quale non esiste un unico centro del calcolo quantistico italiano, ma una pluralità di iniziative complementari. La sfida consiste nel metterle in relazione, evitando la frammentazione e facilitando l’accesso alle infrastrutture e alle competenze.
Il quantum computing italiano nella rete europea
La dimensione europea rappresenta un ulteriore livello di questo processo. Il calcolo quantistico è infatti uno degli ambiti nei quali l’Unione Europea sta cercando di costruire una capacità tecnologica e infrastrutturale autonoma, attraverso programmi coordinati da EuroHPC Joint Undertaking.
SOL ed EuroHPC verso un’infrastruttura federata
In questo quadro si inserisce l’esperienza di SOL al DAMA Tecnopolo di Bologna, che partecipa alla rete europea di infrastrutture quantistiche sviluppata nell’ambito di EuroQHPC-Integration (EuroQHPC-I).
La logica è quella di un’infrastruttura federata: diverse macchine quantistiche, basate anche su tecnologie differenti e collocate in diversi Paesi, vengono rese accessibili attraverso un quadro comune. In questo modo la comunità scientifica europea può utilizzare risorse che singolarmente avrebbero una disponibilità limitata, ma che nel loro insieme costituiscono un patrimonio computazionale più ampio e diversificato.
Anche la distribuzione dell’accesso a SOL riflette questa dimensione nazionale ed europea, con una quota di capacità destinata alla comunità di ricerca europea tramite EuroHPC e una quota riservata alla comunità italiana, su finanziamento del Ministero dell’Università e della Ricerca attraverso il Centro Nazionale ICSC.
Il valore dell’integrazione non è quindi soltanto tecnologico. È anche organizzativo: significa costruire modalità condivise di accesso, sviluppare competenze comuni e creare una comunità di utenti capace di utilizzare il quantum computing come una componente delle infrastrutture europee di ricerca.
Il calcolo ibrido guida le infrastrutture quantistiche
La direzione che emerge da queste esperienze è quella del calcolo ibrido. Supercomputer, sistemi di intelligenza artificiale, cloud e processori quantistici sono destinati a convivere all’interno di infrastrutture sempre più articolate.
Per CINECA, questa evoluzione significa mettere a sistema competenze e infrastrutture già presenti, creando le condizioni perché il quantum computing possa essere sperimentato e utilizzato insieme alle risorse di supercalcolo e di intelligenza artificiale.
È un percorso ancora in una fase iniziale e non consente di anticipare quali applicazioni produrranno i maggiori vantaggi. La disponibilità di infrastrutture reali, tuttavia, permette di spostare la ricerca da una dimensione prevalentemente teorica a una fase di sperimentazione concreta, nella quale sarà possibile misurare capacità, limiti e casi d’uso.
L’esperienza dell’ecosistema CINECA si inserisce così in un più ampio percorso italiano ed europeo. La costruzione di una capacità quantistica competitiva non dipenderà infatti da una singola macchina, ma dalla capacità di collegare infrastrutture, competenze e comunità di utenti, creando un ambiente nel quale il calcolo quantistico possa diventare, progressivamente, una componente delle infrastrutture di ricerca e innovazione.
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