La tecnologia ad atomi neutri è una delle novità più recenti ed interessanti nel mondo del Quantum Computing. Non fa infatti parte della ben più nota categoria di computer universali a gate, come ad esempio i superconduttivi di IBM o IQM, ma si tratta bensì di un Quantum Simulator, cioè di una piattaforma in grado di simulare sistemi complessi sfruttando specifici fenomeni fisici.
In generale, questa tecnologia emergente offre una maggiore versatilità e configurabilità rispetto alla maggior parte delle altre tecnologie senza la necessità, perdipiù, di operare a temperature criogeniche.
La promessa del calcolo quantistico
La promessa del calcolo quantistico è quella di sfruttare le proprietà della natura a scala microscopica per risolvere problemi troppo complessi per qualunque calcolatore classico presente e futuro. Le possibili applicazioni che possono potenzialmente beneficiare di questo nuovo paradigma computazionale sono molteplici: dalla logistica alla finanza, dalla crittografia alla ricerca di nuovi medicinali.
Tutti questi campi hanno in comune una classe di problemi matematici da risolvere, definiti in gergo NP-difficili (o NP-hard), la cui complessità cresce esponenzialmente all’aumentare del numero di variabili, (ad esempio il numero di veicoli per la consegna a domicilio o il portafoglio di asset di un istituto finanziario), un ritmo insostenibile per i calcolatori classici, inclusi i più potenti supercomputer.
Alcuni di questi problemi, tuttavia, si prestano ad essere codificati in sistemi microscopici sfruttando alcune proprietà quantistiche della materia, come la sovrapposizione, l’interferenza e l’entanglement, e ad essere quindi risolti osservando e guidando l’evoluzione di questi sistemi fisici.
Il computer quantistico universale
Se il controllo che esercitiamo su questi sistemi microscopici è sufficientemente raffinato e ci permette di effettuare un determinato insieme di operazioni sui nostri bit quantistici (qubit), è possibile costruire un cosiddetto computer quantistico universale – anche detto a porte logiche quantistiche, o quantum gates – in grado, in linea di principio, di effettuare qualunque operazione matematica eseguibile dai computer classici a cui siamo abituati e, soprattutto, di permetterne di nuove. Questa tecnologia che, fino a pochi anni fa era limitata a pochi laboratori al mondo, ora si sta avvicinando ad essere una realtà industriale grazie a grandi aziende come IBM che mettono a disposizione le loro macchine quantistiche tramite accesso cloud a clienti e ricercatori, così come ai significativi capitali investiti nelle startup del settore.
Nonostante questa crescita, la capacità di queste macchine di risolvere problemi reali più velocemente di un computer classico è ancora limitata da diversi fattori, come il numero di qubit che si possono controllare e il “rumore” a cui sono soggetti – in generale dovuto a un non perfetto isolamento del sistema quantistico – che può alterare i risultati di un’operazione quantistica in maniera casuale.
Le macchine specializzate
In questo contesto sono state sviluppate altre tecnologie che puntano, almeno in teoria, ad aggirare alcune limitazioni dell’hardware corrente rinunciando ad implementare un computer universale e specializzandosi invece sulla risoluzione di alcuni problemi particolari. Il primo esempio di questo genere di macchine è quello prodotto da D-Wave basandosi sul concetto di quantum annealing[1],[2], cioè la formulazione di problemi di ottimizzazione combinatoria, come la ricerca di un percorso ottimale per una serie di consegne, in termini di configurazioni di un sistema quantistico in grado di evolvere naturalmente verso uno stato di minima energia che rappresenta la soluzione del problema. Anche in questo caso, tuttavia, provare un vantaggio concreto su problemi di interesse pratico è ancora un problema aperto.
I quantum simulator
Sempre nel filone delle macchine specializzate, c’è una nuova classe di dispositivi quantistici che sta vivendo un momento di crescita importante sia in termini di risultati scientifici, che di finanziamento pubblico e privato: i quantum simulators. Questo tipo di hardware, tipicamente basato su atomi neutri – atomi di rubidio intrappolati tramite dispositivi laser in una camera a vuoto, ed eccitati otticamente in modo da interagire tra di loro con fenomeni quantistici – si pone come compromesso ottimale tra i quantum annealers con migliaia di qubit e un range di applicazione molto ristretto, e le macchine universali con un numero limitato di qubit e molto sensibili al rumore. I quantum simulator attuali raggiungono i 256 qubit, con la promessa di arrivare a 1000 entro il 2024 e di poter, in linea di principio, scalare molto più facilmente delle controparti basate su superconduttori. Al contrario di questi ultimi, inoltre, permettono di regolare liberamente la geometria del reticolo di atomi – e quindi la possibilità dei qubit di interagire tra loro in base alla distanza reciproca – in maniera tale da adattarla in modo ottimale al problema da risolvere. Sono inoltre particolarmente idonei all’esecuzione di algoritmi approssimati e meno sensibili al rumore.
Queste caratteristiche rendono questo approccio un candidato ideale per mostrare le potenzialità del calcolo quantistico nel breve-medio periodo, con applicazioni nel campo dell’ottimizzazione combinatoria, nella chimica quantistica e nella simulazione di altri sistemi quantistici in generale, da cui il nome quantum simulators. Seppur anche in questo caso la dimostrazione di un vantaggio pratico – il cosiddetto quantum advantage – sia ancora lontana, questo genere di macchine ha suscitato un grande interesse negli investitori in Europa e oltre oceano.
Europa e Italia
L’elevato grado di attenzione nei confronti di questo genere di calcolatori è testimoniato sia dai 100M€ di finanziamenti privati raccolti dalla startup francese Pasqal nel 2022, sia dal fatto che la commissione Europea abbia deciso di investire nell’acquisto di alcune macchine di questo tipo nell’ambito dell’iniziativa comune sul calcolo ad alte prestazioni EuroHPC, che prevede un budget totale di 7 miliardi di euro tra il 2021 e il 2027 con lo scopo di ridurre il gap con USA, Giappone e Cina nel campo dei supercomputer. All’interno di questa iniziativa, infatti, il progetto HPCQS mira a far lavorare insieme supercomputer e simulatori quantistici: per fare questo saranno installate due macchine ad atomi neutri prodotte da Pasqal rispettivamente in due centri di supercalcolo in Francia e Germania. Sempre nel contesto di EuroHPC, anche l’Italia ha un ruolo da protagonista: sarà tra i destinatari di una terza macchina ad atomi neutri di Pasqal tramite il finanziamento ottenuto dal consorzio EuroQCS-italy, guidato da CINECA. Sempre CINECA ha anche avviato già dal 2021 tre progetti pilota per esplorare le potenzialità della macchina a neutral atoms di Pasqal con Università di Firenze, Fondazione LINKS di Torino, e Università di Bologna, riguardanti rispettivamente le tecniche di machine learning quantistico, l’ottimizzazione combinatoria su grafi, e l’ottimizzazione bayesiana. Con Fondazione LINKS, inoltre, Pasqal ha firmato una collaborazione di ricerca nel 2022 per approfondire i temi esplorati nel suddetto progetto pilota.
Conclusioni
Queste iniziative, unite alla spinta alla ricerca di base fornita dall’iniziativa Quantum Flagship[3], finanziata con un miliardo di euro in 10 anni per favorire progetti nel campo delle tecnologie quantistiche, stanno contribuendo a colmare il gap tecnologico che l’Europa paga nei confronti di USA, Cina e Giappone, dovuto principalmente all’assenza di grandi aziende impegnate in questo campo. La leadership nel campo dell’hardware ad atomi neutri, date le potenzialità di questo genere di dispositivi, può essere uno dei fattori chiave per riportare la tecnologia europea al centro della scena nel campo del quantum computing.
[1] T. Kadowaki and H. Nishimori, “Quantum annealing in the transverse Ising model,” Phys. Rev. E, vol. 58, no. 5, pp. 5355–5363, Nov. 1998, doi: 10.1103/PhysRevE.58.5355.
[2] T. Albash and D. A. Lidar, “Adiabatic quantum computation,” Rev. Mod. Phys., vol. 90, no. 1, p. 015002, Jan. 2018, doi: 10.1103/RevModPhys.90.015002.
[3] https://qt.eu/about-quantum-flagship/introduction-to-the-quantum-flagship/
