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I computer quantistici arrivano in Europa: perché siamo a una svolta decisiva per la ricerca

Sei computer quantistici stanno per essere installati in Europa (uno anche in Italia). Ma per restare all’avanguardia nell’arena dei sistemi QCS, l’Ue deve compiere uno sforzo coordinato per creare sia una squadra di sviluppatori di applicazioni altamente qualificati, sia utenti finali dei QCS altrettanto qualificati

Pubblicato il 21 Dic 2022

Christian Fiori

Quantum Computing Specialist, CINECA

Riccardo Mengoni

Specialista Quantum Computing Cineca

Daniele Ottaviani

Coordinatore Quantum Computing Lab Cineca

David Vannozzi

Direttore generale, Cineca

EuroHPC

I computer quantistici arriveranno in Europa. Saranno sei, e uno di essi verrà installato in Italia. Le macchine sono destinate principalmente alla ricerca, ma saranno anche rese accessibili alle start-up e alle aziende, al fine di stimolare l’ecosistema quantistico pan-europeo. La tecnologia quantistica, integrata con i sistemi HPC esistenti, consentirà dei passi avanti significativi in tutti i settori dell’industria.

Questi nuovi sistemi di calcolo quantistico rappresentano una vera e propria chiave di volta per lo sviluppo di percorsi di ricerca inediti. La gamma di aree di applicazione va dalla chimica quantistica, passando per i problemi di ottimizzazione, fino ad arrivare al machine learning. I computer quantistici saranno messi a disposizione di un vasto numero di utenti europei, a prescindere dalla loro ubicazione, delle comunità scientifiche, dell’industria e del settore pubblico.

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Un’Europa sempre più Quantum: i progetti e gli attori principali

È stato reso noto da parte dell’EuroHPC JU l’elenco dei siti dell’Unione Europea destinati ad ospitare e gestire i primi computer quantistici EuroHPC. Essi sono: Francia, Germania, Italia, Polonia, Repubblica Ceca e Spagna.

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L’European High Performance Computing Joint Undertaking è un ente giuridico e di finanziamento, fondato in Europa nel 2018 dalla Commissione Europea, con il compito di coordinare le operazioni per la realizzazione di un vero e proprio ecosistema di supercalcolo. In quello stesso anno, la Commissione aveva istituito anche un’iniziativa nota come European Quantum Flagship, volta alla ricerca e all’ideazione su larga scala delle Quantum Technologies, e con la visione a lungo termine di creare una rete capace di interconnettere computer, simulatori e sensori quantistici: una sorta di Quantum Internet.

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Sulla scia di queste vicende, nel comunicato ufficiale di EuroHPC JU dello scorso 4 ottobre 2022 viene pubblicata la lista delle mete selezionate per ospitare i computer quantistici: Francia, Germania, Italia, Polonia, Repubblica Ceca e Spagna. I paesi ospitanti sono stati selezionati a seguito dell’Expression of Interest (EOI) per l’hosting e la gestione di computer quantistici europei integrati in supercomputer HPC, lanciata il 31 marzo 2022. Nel testo viene specificato che sarà garantita una varietà di tecnologie e architetture in modo da consentire agli utenti, pubblici e privati, di accedere a diverse tipologie di sistemi. Inoltre, viene messo in risalto lo spirito di co-progettazione e coesione che ha sempre caratterizzato e alimentato l’EuroHPC JU, sin dalla sua prima costituzione.

Del resto, l’annuncio fa parte di una iniziativa più ampia, in cui l’UE sta lavorando da tempo, che si colloca a confine tra EuroHPC JU e la Quantum Flagship, riguardante l’integrazione di computer e simulatori quantistici come acceleratori di una infrastruttura di supercalcolo europea condivisa. Tale progetto, che nasce da un whitepaper denominato EuroQCS (European Quantum Computing & Simulation Infrastructure) e che a sua volta è l’evoluzione del progetto, iniziato nel 2021, HPCQS (High Performance Computing & Quantum Simulation), si prefigge il compito di sostenere lo sviluppo di un’ampia gamma di applicazioni di rilevanza industriale, scientifica e sociale per l’Europa, al fine di potenziare l’infrastruttura di supercomputer già presente. È dunque importante rimarcare che i nuovi computer quantistici risponderanno alla crescente domanda di risorse di calcolo quantistico e di nuovi servizi da parte di un ampio spettro di utenti all’interno del continente, della pubblica amministrazione, dell’industria e del mondo accademico europeo.

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Integrazione di tecnologie e principali applicazioni

Man mano che i computer e i simulatori quantistici (QCS) si sviluppano e diventano sempre più utili per le applicazioni del mondo reale, si rende altresì evidente che non sono attualmente sufficienti a risolvere i problemi pratici quando vengono utilizzati come sistemi autonomi. Un approccio ibrido HPC/QCS sembra quindi rivelarsi una strada molto promettente, dove le architetture HPC sono impiegate nella gestione dei flussi di lavoro principali e nello svolgimento delle attività di calcolo non quantistico necessarie, e i sistemi QCS agiscono come potenti acceleratori hardware.

L’ecosistema di supercalcolo HPC

Pertanto, l’ecosistema di supercalcolo HPC realizzato e alimentato da EuroHPC JU consentirà l’integrazione di computer e di simulatori quantistici (QCS) nell’infrastruttura di calcolo ibrido classico-quantistico EuroQCS. Quest’ultima consentirà inoltre l’accesso a dispositivi QCS autonomi via cloud, oppure tramite collegamenti di rete di natura classica, in una prima fase, mentre nel lungo termine, mediante infrastrutture sviluppate da EuroQCI (European Quantum Comunication Infrastructure).

I sistemi ibridi HPC/QCS rappresenteranno un decisivo passo in avanti nella risoluzione di problemi complessi, specialmente nel caso in cui non sia possibile scalare sufficientemente i sistemi quantistici autonomi o per i sottocomponenti di applicazioni non adatte all’elaborazione quantistica. D’altra parte, nell’industria e nelle comunità scientifiche esiste una serie di importanti attività di calcolo che i supercomputer classici faticano a risolvere.

Le potenziali applicazioni

Le potenziali applicazioni di queste macchine ibride sono molto varie e comprendono settori quali la finanza, il petrolio e il gas, il clima, i trasporti, la chimica, la farmacologia, la progettazione di materiali e la sanità, il tutto consumando molta meno energia. Alcuni esempi:

Sviluppo molto più rapido ed efficiente di nuovi farmaci, tramite approcci e tecniche diverse per la simulazione delle interazioni tra molecole, da cui potranno beneficiare le rappresentazioni in ambiente virtuale di sistemi (gemello digitale etc.).

--Risoluzione di problemi logistici legati all’ottimizzazione dei flussi di traffico, per aiutare le aziende a risparmiare tempo e carburante.

Sviluppo e sperimentazione di nuovi materiali come i polimeri per gli aerei, i catalizzatori per le automobili, le celle solari o i superconduttori a temperatura ambiente che potrebbero immagazzinare energia a tempo indeterminato.

I nuovi computer quantistici EuroHPC saranno disponibili nei sei siti sopra citati secondo le tempistiche di realizzazione delle case produttrici UE, le quali sono per lo più startups.

Le macchine, infatti, saranno costituite interamente da hardware e software europei, sfruttando la tecnologia sviluppata nell’ambito di iniziative quantistiche finanziate dall’UE, programmi di ricerca nazionali e investimenti privati.

Calcolo ad alte prestazioni, strumento strategico per la competitività italiana

Computer quantistico in Italia

L’Italia risulta tra le mete selezionate per l’installazione di questi nuovi sistemi. In particolare, è stato scelto il progetto presentato da EuroQCS-Italy, un consorzio che vede in prima linea CINECA, il quale è anche ente ospitante, insieme con la Germania (rappresentata da FZJ) e la Slovenia (ARNES).

Da un punto di vista di integrazione tra hpc e quantum, l’Italia può fare affidamento, soprattutto, sui fondi del PNRR, il quale ha sostenuto la recente realizzazione del Centro Nazionale HPC, Big Data e Quantum Computing, coordinato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Questo centro, e in particolare il Tecnopolo di Bologna, verrà poi ad ospitare il computer quantistico in arrivo, che lavorerà insieme al super calcolatore Leonardo. La macchina scelta sfrutta la tecnologia di realizzazione “ad atomi neutri” e potrà funzionare in due modalità distinte, analogica o digitale.

D’altra parte, a completamento delle iniziative europee di EuroHPC e di EuroQCS descritte sopra, si inserisce l’iniziativa italiana promossa dall’Università di Padova tramite il bando WCRI (World Class Research Infrastructure), la quale prevede l’acquisizione di un computer quantistico a tecnologia “a ioni intrappolati” e la realizzazione di un centro di indagine scientifica di livello internazionale che ospiterà la macchina. Quest’ultima, a sua volta, verrà utilizzata per scopi di ricerca e l’ente di eccellenza sarà integrato nel grande network che si ha intenzione di costruire.

Investimenti e sfide future

Il finanziamento iniziale (2021-2022), previsto di 60 milioni di euro e che dovrebbe essere corrisposto dai membri nazionali di EuroHPC JU, sarà utilizzato per finanziare fino a tre progetti europei per costruire EuroQCS.

I computer quantistici saranno cofinanziati dai fondi dell’EuroHPC JU derivante dal Digital Europe Program (DEP) e dai contributi degli Stati partecipanti all’EuroHPC JU. Il JU cofinanzierà fino al 50% del costo totale dei computer quantistici con un investimento totale previsto di oltre 100 milioni di euro. Ciò include investimenti in QCS da collegare a macchine HPC, il loro funzionamento e la ricerca correlata.

In futuro verranno acquistati altri computer quantistici. Per sviluppare ulteriormente l’informatica quantistica, e più specificamente il software quantistico, la Commissione Europea sta pianificando la creazione di Centri di eccellenza (CoE) per la scienza e l’industria che si concentrino sui casi d’uso accademici e industriali dei computer e dei simulatori quantistici. Questi centri, messi al servizio di tutti i soggetti dell’industria, del mondo accademico e della più ampia comunità di utenti della tecnologia quantistica, saranno un punto di riferimento per le applicazioni quantistiche accademiche e industriali, fornendo servizi, supporto e biblioteche alle organizzazioni in Europa in modo simile agli attuali Centri di eccellenza per il calcolo ad alte prestazioni.

Se l’Europa vuole rimanere all’avanguardia nell’arena dei sistemi QCS, deve compiere uno sforzo coordinato per creare sia una squadra di sviluppatori di applicazioni altamente qualificati, sia utenti finali dei QCS altamente qualificati.

La preparazione alla convergenza QCS-HPC deve investire anche nella formazione dei ricercatori e degli utenti attivi, nonché nei contributi all’istruzione all’interno dei curricula universitari in informatica/ingegneria e in scienze computazionali, per sostenere l’alfabetizzazione quantistica precoce almeno a livello di master e dottorato. Ciò dovrebbe includere non solo gli sforzi per la programmazione di applicazioni quantistiche, ma anche per la costruzione di sistemi di host e di controllo, nonché per il funzionamento e la distribuzione di tali sistemi come parte di soluzioni HPC. Questo sforzo può avere successo solo se condotto in stretta sinergia con le principali organizzazioni coinvolte nella formazione in ambito quantistico e HPC, compresi i centri HPC e i CoE, e nel sistema europeo di istruzione superiore. Inoltre, poiché oggi il QC è per la maggior parte “nel cloud”, è necessaria un’infrastruttura hardware e software, per poterlo utilizzare senza problemi da un centro HPC. A lungo termine, questa è la chiave per una profonda integrazione e federazione degli ecosistemi HPC quantistici e digitali nel loro complesso.

Un finanziamento significativo dovrà quindi essere dedicato a progetti che identificano le potenziali applicazioni e sviluppano gli algoritmi corrispondenti, in stretta collaborazione tra ricercatori hardware/software HPC/QCS, centri HPC e centri di eccellenza (CoE) ed esperti di settore provenienti dall’industria e dal mondo accademico.

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