il workshop

Il Quantum computing in Italia: progetti, sfide e applicazioni

Lo scenario complessivo di progetti e applicazioni legate alle tecnologie di supercalcolo e Quantum Computing (QC) in mostra alla quinta edizione dell’evento di Quantum Computing e High Performance Computing di Cineca: le startup più promettenti, le industrie impegnate, gli sviluppi della ricerca

Pubblicato il 03 Apr 2023

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

L’Italia e gli altri Paesi europei si stanno preparando all’arrivo dei computer quantistici, che saranno a disposizione dei ricercatori ma anche delle startup e delle aziende.

Il Cineca, infatti, ha vinto il bando dell’Impresa Comune EuroHPC, in rappresentanza di un consorzio formato da Italia (leader), Germania e Slovenia per l’installazione presso il Tecnopolo di Bologna di uno dei sei computer quantistici che saranno ospitati da altrettanti enti europei, e la loro integrazione con i supercomputer preesistenti.

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

La quinta edizione dell’evento High Performance Computing and Quantum Computing Cineca, dedicato alla comunità scientifica computazionale che si occupa dell’integrazione di tecnologie di supercalcolo e Quantum Computing (QC) ha dato ampio risalto a questo risultato. Ma i temi ale centro del dibattito sono stati numerosi.

Ampio spazio è stato dedicato quindi alle case produttrici di tecnologie quantistiche, che hanno presentato i progressi che stanno ottenendo nello sviluppo delle loro macchine e le sfide che si apprestano ad affrontare, e alle startup che si affacciano nell’attuale panorama di mercato. Infine, sono stati presentati i progetti dei giovani ricercatori europei che, con grande spirito e passione, si stanno cimentando nello sperimentare le diverse tecnologie e i diversi aspetti del Quantum Computing.

Le principali iniziative in corso in Italia e in Europa

Le principali iniziative in corso, italiane ed europee, sono rivolte alla realizzazione di un ambiente di supercalcolo condiviso il cui scopo ultimo è quello di favorire l’integrazione di tecnologie quantistiche e tecnologie HPC.

Lo scenario italiano è caratterizzato dalla presenza di importanti centri di ricerca, come ad esempio il Centro di Ricerca Nazionale in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing, nato lo scorso luglio con sede al Tecnopolo di Bologna, e il Centro di Quantum Computing e Simulation di Padova.

Il Centro Nazionale, che nel corso del workshop è stato presentato da Paolo Cremonesi del Politecnico di Milano, è finanziato nell’ambito del PNRR, e farà leva sul supercomputer Leonardo e sul futuro computer quantistico finanziato da EuroHPC JU, entrambi gestiti dal Cineca, per promuovere lo sviluppo di nuovi software e applicazioni all’avanguardia in molteplici settori. Anche il Centro di Calcolo di Padova ospiterà un computer quantistico, finanziato da un progetto di ricerca chiamato World Class Research Infrastructure, guidato dal professor Simone Montangero. Per il quantum computing, come per tutte le tecnologie emergenti, la collaborazione tra queste iniziative è indispensabile, e gli utilizzatori stanno già attivamente contribuendo alla creazione di una comunità pronta a condividere sfide e risultati.

Per quanto concerne la situazione europea, tra le più importanti iniziative ci sono HPCQS (High Performance Computer – Quantum Simulator hybrid) e il progetto EuroQCS, in cui essa confluisce, volti a preparare l’Europa, ed in particolare le nazioni aderenti, alla diffusione e all’uso federato dei computer e simulatori quantistici e dei supercalcolatori, al fine di creare un vero e proprio ecosistema ibrido HPC/QC. Nel corso del workshop ESA, la European Space Agency, ha condiviso gli scenari di utilizzo del Quantum Computing in cui è impegnata, ed in particolare del Quantum Machine Learning, per l’osservazione della Terra. Un ambito che potrebbe affiancarsi all’utilizzo del supercalcolo per la realizzazione del gemello digitale della Terra, come ad esempio il progetto Destination Earth.

Le start-up più promettenti

Il ruolo rivestito dalle case produttrici di computer quantistici è sempre più importante. Da qualche tempo, infatti, nel panorama mondiale ed in particolare in quello europeo stanno cominciando ad affacciarsi diverse start-up che costruiscono computer quantistici, e che non afferiscono a grandi multinazionali. In aggiunta a questo fenomeno, come riportato in apertura, è di recente notizia il fatto che la Comunità Europea, e in particolar modo EuroHPC Joint Undertaking, ha deciso di finanziare l’acquisto di ben sei computer quantistici di fabbricazione europea che, proprio a causa dell’assenza in Europa di colossi del calibro di IBM, Google o Microsoft, saranno prodotti da start-up emergenti.

Fra i quantum devices che hanno suscitano particolare curiosità ci sono stati i prototipi di macchine quantistiche di Quantum Brilliance, che basano il loro funzionamento sulle peculiari proprietà dei diamanti e i performanti computer quantistici di Quix Quantum e di Quandela, che invece sfruttano la manipolazione delle proprietà dei quanti di luce (fotoni). Queste tre nuove realtà del panorama europeo sono in grado di sviluppare computer quantistici che funzionano a temperatura ambiente.

Le grandi industrie del settore

Anche le Big Industries protagoniste nel settore, General Electric, IBM e D-Wave hanno partecipato al workshop e hanno presentato gli ultimi sviluppi delle loro tecnologie, le roadmap future in termini di prototipi, e, in generale, hanno delineato le sfide che si stanno preparando ad affrontare. Con D-Wave Cineca ha una collaborazione in corso che permette l’utilizzo dei dispositivi D-Wave in progetti di ricerca di università italiane tramite la partecipazione a bandi messi a disposizione tramite ISCRA, ovvero secondo il modello della peer review. A conclusione della sessione c’è stato l’intervento di Pasqal, una delle principali realtà a livello europeo nell’ambito di sistemi di calcolo quantistico. La casa produttrice francese ha preso in considerazione in particolare la simulazione ed emulazione quantistica in cloud con Tensor Networks.

Anche con Pasqal Cineca ha già da tempo avviato una collaborazione, nello specifico ha avviato ben tre progetti pilota: il primo in collaborazione con l’Università di Firenze, il secondo con la Fondazione LINKS, e il terzo con l’Università di Bologna.

Il progetto con l’ateneo fiorentino è stato incentrato sull’utilizzo di tecniche di machine learning per la caratterizzazione dei diversi tipi di rumore presenti sul dispositivo Pasqal. Di conseguenza, si è studiato il modo per poter stimare quantitativamente il rumore e riuscire a mitigare l’effetto dell’errore.

Con l’ente di ricerca LINKS si è realizzato un algoritmo di quantum optimization, simil QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm), su macchina Pasqal per problemi di ottimizzazione su grafi: in particolare l’oggetto è stato un problema di ottimizzazione combinatoria di interesse industriale, studio di reti di ottimizzazione con applicazione in vari ambiti come, ad esempio, nelle telecomunicazioni (antenna placement) o in problemi di scheduling.

Il progetto con l’Università di Bologna ha riguardato infine l’ottimizzazione bayesiana per QAOA: è stato proposto l’utilizzo di tecniche di ottimizzazione bayesiana all’interno di algoritmi ibridi classico/quantistici in modo da ottenere un modo alternativo di aggiornamento dei parametri esportabile anche ad esempio in VQE (Variational Quantum Eigensolver) o in QNN (Quantum Neural Network).

Progressi della ricerca accademica

La conclusione dell’evento è stata dedicata ai progressi scientifici che la comunità europea e italiana stanno facendo nell’ambito della computazione quantistica. Tanto i professori con esperienza anche ventennale nel mondo del quantum computing, quanto i giovani ricercatori europei hanno avuto l’occasione di presentare i loro lavori nell’ambito del workshop. Tra i veterani, Leonardo Guidoni, esperto di Quantum Chemistry e professore dell’Università dell’Aquila, Fabio Sciarrino, professore e coordinatore del Quantum Information Lab della Sapienza di Roma, e Dario Gerace, professore all’Università di Pavia, esperto di nanostrutture quantistiche.

I loro talks hanno avuto come oggetto rispettivamente: un metodo di VQE innovativo per la chimica quantistica chiamato Wavefunction-Adapted Hamiltonian through Orbital Rotations, il vantaggio quantistico di circuiti integrati che utilizzano tecnologia fotonica e un confronto tra machine learning quantistico e classico per la riduzione dello sfondo di scattering di bosoni all’interno dell’acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider).

Molto stimolante, infine, la parte dedicata alle ricerche condotte dai giovani dottorandi, provenienti da diverse università italiane, i quali hanno mostrato grande passione ed entusiasmo nel parlare dei loro oggetti di studio. Marco Ballarin dell’Università di Padova, ha presentato un simulatore di MPS (Matrix Product States) per circuiti quantistici. Sebastiano Corli, del Politecnico di Milano, sotto la supervisione di Enrico Prati, quest’ultimo co-organizzatore del convegno, ha portato dei risultati ottenuti dalla simulazione di tecniche measurement-based con il software paddle-quantum, eseguito sul supercalcolatore DaVinci-1. Lorenzo Moro anch’egli co-organizzatore dell’evento oltre che dottorando del Politecnico di Milano, sotto la supervisione sempre di Prati. ha chiuso l’evento con una presentazione sullo speed-up dei computer quantistici adiabatici mediante il rilevamento di anomalie su data-set di traffico IP.

Conclusioni

Lo scenario complessivo di progetti e applicazioni delle tecnologie d’avanguardia messo in mostra in questa quinta edizione dell’evento di Quantum Computing e High Performance Computing di Cineca non fa che incoraggiare un impegno sempre maggiore in quelli che risultano ogni giorno di più campi di indagine fertili di potenzialità e di sorprese.

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