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Quantum computing, una svolta per la ricerca: lo scenario europeo e i progetti in corso

Il Quantum Computing ci permetterà di trovare soluzioni nuove e migliori a problemi complessi, ad esempio nei settori della simulazione di sistemi fisici e chimici, nello sviluppo di materiali, nella medicina personalizzata. Le iniziative europee a sostegno del settore, il panorama italiano, l’apporto del PNRR

01 Ago 2022
Riccardo Mengoni

Specialista Quantum Computing Cineca

Daniele Ottaviani

Coordinatore Quantum Computing Lab Cineca

David Vannozzi

Direttore generale, Cineca

quantum

La futura prosperità dei paesi di tutto il mondo dipenderà in modo cruciale anche dalla padronanza delle nuove tecnologie, il cui potenziale dirompente avrà un impatto sulla società e sull’economia nel suo insieme.

Proprio in considerazione dell’importanza delle nuove tecnologie per lo sviluppo e la competitività dell’Europa a livello internazionale, la Commissione Europea ha dato vita a diverse iniziative che sostengono la ricerca di nuove e potenti, ma soprattutto efficienti, risorse a supporto della ricerca.

In questo contesto, è ormai ampiamente riconosciuto che le Quantum Technologies (QT) svolgeranno un ruolo speciale, consentendo ai ricercatori di affrontare progetti troppo complessi o addirittura impossibili da risolvere oggi.

Ecco il centro nazionale di supercalcolo: perché è mossa lungimirante che potrà fare la differenza

Lo scenario europeo delle Quantum Technologies e del Supercalcolo per la ricerca

Per mantenere l’Europa in prima linea nell’ideazione, sviluppo e commercializzazione delle Quantum Technologies, la Commissione Europea ha istituito nel 2018 un’iniziativa di ricerca e innovazione su larga scala nota come “Quantum Flagship”.

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La Quantum Technologies Flagship sosterrà il lavoro di centinaia di ricercatori con un budget previsto di 1 miliardo di euro per la durata di 10 anni. Lanciata nel 2018, la Flagship riunisce istituti di ricerca, industria e finanziatori pubblici, consolidando ed espandendo la leadership scientifica europea e l’eccellenza nelle tecnologie quantistiche. Il suo scopo è supportare la trasformazione della ricerca europea in applicazioni commerciali che sfruttino appieno il potenziale dirompente del mondo quantistico.

Nel 2018, l’Europa ha anche istituito la European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU), un’iniziativa congiunta tra l’UE, i paesi europei e partner privati per sviluppare un ecosistema di supercalcolo di livello mondiale in Europa. L’EuroHPC JU consente ai paesi europei di coordinare le loro strategie e investimenti di supercalcolo insieme all’UE, con l’obiettivo di sviluppare ulteriormente, distribuire, estendere e mantenere un’infrastruttura di dati e supercalcolo che va da peta-scale a exa-scale e basata su tecnologia europea competitiva.

L’interesse della EuroHPC JU non si limita solo al supercalcolo, ma abbraccia tutto l’ecosistema delle infrastrutture per la ricerca, e guarda con attenzione all’utilizzo delle Quantum Technologies (QT) che svolgeranno un ruolo fondamentale nell’innovazione tecnologica. A livello comunitario, infatti, diversi sono i progetti già attivi, o in partenza.

Il Quantum Computing oggi

Il Quantum Computing (QC) è il campo delle QT che potrebbe avere il maggior impatto sulla società per come la conosciamo oggi. I computer quantistici ci permetteranno di trovare soluzioni nuove e migliori a problemi complessi, ad esempio nei settori della simulazione di sistemi fisici e chimici, nello sviluppo di materiali, nella medicina personalizzata, nell’ottimizzazione per la logistica e i trasporti e anche nell’artificial intelligence.

In particolare, poiché i dispositivi di QC attuali (detti NISQ) sono ancora lontani dal raggiungimento delle loro massime potenzialità, negli ultimi anni si stanno affermando algoritmi ibridi in cui parte della computazione avviene nella Quantum Processing Unit (QPU) del computer NISQ e parte dell’algoritmo su computer classici o meglio ancora su sistemi di supercalcolo.

How Will Quantum Technology Change Our Lives?

I principali progetti in Europa: HPCQS e EuroQCS

Questa “direzione ibrida” è seguita dai principali centri di calcolo europei tramite progetti come HPCQS, che puntano a creare un ecosistema europeo di quantum computer connessi ai principali supercomputer in Europa.

High Performance Computer and Quantum Simulator (HPCQS) Project

HPCQS cerca di integrare e accoppiare due simulatori quantistici, ciascuno in grado di controllare più di 100 qubit, con due supercomputer europei esistenti e di implementare un’infrastruttura HPC-QS ibrida aperta che fornirà accesso cloud non commerciale al pubblico e agli utenti privati europei.

In questo caso, i simulatori quantistici non si riferiscono a programmi software eseguiti su computer convenzionali per simulare o emulare sistemi quantistici, bensì a dispositivi quantistici per scopi speciali, appositamente progettati per studiare problemi specifici. Il progetto mira inoltre a sviluppare una piattaforma di programmazione ibrida che consenta di combinare simulazioni quantistiche con il calcolo classico ad alte prestazioni e quindi accelerare la velocità di calcolo dei supercomputer classici.

Oltre a sviluppare i primi computer al mondo ad alte prestazioni e sistemi di simulazione quantistica profondamente integrati per risolvere i complessi problemi quotidiani della nostra società, HPCQS rafforzerà l’Europa come sede commerciale e la sua competitività globale, inoltre e parteciperà attivamente al lavoro pionieristico nel campo della tecnologia quantistica calcolo e simulazione.

Cineca e CNR sono i referenti italiani del progetto, a cui partecipano i principali enti di ricerca di Austria, Francia, Germania, Irlanda e Spagna.

EuroQCS: European Quantum Computing & Simulation Infrastructure

Il progetto EuroQCS è l’evoluzione naturale di HPCQS e prevede la realizzazione del su citato ecosistema europeo di supercalcolo promosso dall’iniziativa EuroHPC, che integrerà computer e simulatori quantistici (Quantum Computing and Simulation QCS) in un’infrastruttura europea di Quantum Computing & Simulation (EuroQCS). Questa strategia consentirà di migliorare sostanzialmente la capacità di calcolo dell’intero ecosistema.

Come dimostrano decenni di esperienza nel supercalcolo convenzionale, l’integrazione riuscita di tecnologie nuove o addirittura dirompenti nei sistemi HPC, come le tecnologie quantistiche sviluppate nell’ambito del Quantum Flagship, in particolare QCS, richiede un focus su tutti i componenti fondamentali dell’ecosistema HPC, ovvero: gli utenti e loro applicazioni, il software e l’hardware.

I QCS sono infatti dispositivi complessi in grado di sfruttare effetti e fenomeni quantomeccanici per svolgere compiti computazionali difficili. In quanto tali, sono molto diversi dai convenzionali dispositivi di tipo “acceleratore” che accelerano algoritmi e software classici esistenti. Questa differenza fondamentale implica che, per sfruttare in modo efficace il loro potenziale, un’ampia base di utenti dovrà investire tempo e energie nello sviluppo di nuovi tipi di algoritmi e software che utilizzino appieno gli effetti della meccanica quantistica per affrontare e risolvere le sfide del futuro.

Oltre all’interazione utente/software, i progetti di ricerca e sviluppo in ambito Quantum Computing pongono l’attenzione anche sull’interazione software/hardware. Poiché il software dipende dall’hardware e l’hardware quantistico è attualmente implementato su molteplici piattaforme fisiche (inclusi, a titolo esemplificativo, atomi/ioni freddi, super/semiconduttori, fotoni), questa interazione richiederà lo sviluppo di un software-stack completo che consenta una “interoperabilità” estensiva. Integrando i sistemi con un livello di interfaccia, l’utente potrà connettere un’ampia gamma di software a una qualsiasi delle numerose architetture QCS all’interno di un unico ambiente HPC.

Inoltre, il fatto di tenere conto di architetture di calcolo “ibride”, nella co-progettazione di codici applicativi mentre si utilizzano architetture HPC su larga scala (fino all’exa-scale), consentirà di affrontare le sfide della ricerca che non possono essere affrontate con le attuali architetture HPC: inizialmente nei campi chimica quantistica, fisica della materia condensata, fisica delle alte energie, fisica del plasma e scienza dei materiali, e successivamente le ricerche si potranno estendere anche a specifici problemi industriali.

La disponibilità di casi d’uso nel mondo reale dovrebbe in breve tempo innescare investimenti privati in soluzioni ibride HPC/QCS, supportando così l’obiettivo Quantum Flagship di avviare un vivace mercato QT europeo. Inoltre, in caso di scalabilità ancora limitata dei dispositivi di calcolo quantistico puro, ci si aspetta che le soluzioni ibride HPC/QCS migliorino ancora in modo significativo risolvendo problemi computazionali difficili.

Il previsto finanziamento iniziale di 40 milioni di euro, come indicato da EuroHPC JU, dovrebbe essere eguagliato dai singoli membri nazionali, e sarà utilizzato per finanziare almeno tre progetti europei per costruire EuroQCS. Ciò include investimenti in QCS da collegare a macchine HPC, loro gestione e relativa ricerca.

Il panorama italiano: World Class Research Infrastructure, Cineca e PNRR

Per quanto riguarda l’Italia, diverse sono le iniziative dei principali Enti di ricerca nazionali. Una delle più interessanti riguarda la realizzazione di un computer quantistico. Oggi questo obiettivo è concretamente raggiungibile grazie al massiccio investimento della World Class Research Infrastructure (WCRI), bando dell’Università di Padova per l’acquisizione di infrastrutture di ricerca che abbiano caratteristiche di eccellenza tali da diventare un punto di riferimento nella scena internazionale.

L’obiettivo del progetto, denominato Quantum Computing and Simulation Center (QCSC), guidato dal Dipartimento di Fisica e Astronomia di Padova insieme a un consorzio di enti di ricerca, aziende private e istituzioni pubbliche di altissimo livello, come Cineca e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è di installare presso l’Università di Padova il primo computer quantistico nel corso del prossimo anno.

Tra le iniziative nazionali, si distinguono quelle di Cineca che dal 2018 ha istituito il Quantum computing lab e, insieme alle compagnie tecnologiche più all’avanguardia, ha avviato collaborazioni con università, enti di ricerca e startup. Oltre all’attività di supporto specialistico e le attività divulgative e didattiche sul tema del QC, Cineca mette a disposizione del mondo della ricerca risorse di calcolo di quantum computing tramite accesso in cloud e rende disponibili ai ricercatori i più avanzati software di emulazione quantistica installati sui propri sistemi di supercalcolo.

Infine, il PNRR prevede la creazione di Centri Nazionali su alcune Key Enabling Technologies, tra cui proprio quella del Quantum Computing. La struttura dei centri dovrà essere del tipo “hub and spoke”, con le funzioni amministrative centralizzate e quelle di ricerca parzialmente decentralizzate, secondo le competenze delle istituzioni di ricerca parti del consorzio.

Elementi essenziali di ogni centro nazionale saranno: la creazione e il rinnovamento di rilevanti strutture di ricerca, il coinvolgimento di soggetti privati nella realizzazione e attuazione dei progetti di ricerca, ed infine, il supporto alle start-up e alla generazione di spin off. Il National Centre for HPC, Big Data and Quantum Computing, coordinato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che vede coinvolte 25 università, 18 tra enti pubblici ed enti privati, e 9 imprese, è stato finanziato con 319 milioni di euro.

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@RIPRODUZIONE RISERVATA

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