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A metà novembre dello scorso anno, IBM ha annunciato di aver superato per la prima volta la soglia dei 100 qubits nella costruzione di Eagle, un microprocessore per il futuro computer quantistico dell’azienda statunitense.

In realtà quello di IBM è solo un passaggio intermedio: Eagle, che oggi ha raggiunto i 127 qubits, è destinato ad arrivare a 433 qubits, per poi venire sostituito da Condor, un microprocessore che mira a sfondare la soglia del 1000 qubits. Altre compagnie come Google ad esempio hanno piani di sviluppo simili per i prossimi anni.

Nel 2019 il Google AI Quantum Lab ha annunciato di aver raggiunto per la prima volta al mondo la cosiddetta supremazia quantistica (o vantaggio quantistico), facendo compiere in poco più di 3 minuti a un microprocessore quantistico (Sycamore, 53 qubit) un calcolo che il più potente computer classico (proprio il Summit della IBM) avrebbe impiegato 10.000 anni a risolvere.

Un anno dopo, a dicembre 2020, la Cina ha spostato ancora più in alto l’asticella, impiegando 200 secondi per risolvere un problema computazionale che altrimenti avrebbe avuto bisogno di 2,5 miliardi di anni. In questo caso l’approccio vincente è stato una tecnologia a base di fotoni (76 qubits), mentre Google, la stessa IBM, come pure il FermiLab di Chicago guidato dall’italiana Anna Grassellino, hanno scelto la strada dei materiali superconduttori.

Esistono tuttavia altri approcci ancora che aziende e centri di ricerca di tutto il mondo stanno esplorando. L’università di Padova ad esempio ha deciso di concorrere alla corsa globale verso il computer quantistico puntando sugli ioni intrappolati. Ciascun approccio comporta vantaggi e svantaggi, così come ciascun attore adotta una diversa strategia di sviluppo.

La potenza è nulla senza controllo

“Il risultato di IBM è una dimostrazione interessante della scalabilità dell’architettura” commenta Simone Montangero, professore ordinario di fisica teorica della materia al dipartimento di fisica e astronomia dell’università di Padova. “È un risultato notevole per quanto riguarda il lato ingegneristico e, in prospettiva, industriale, se pensiamo che ogni qubit ha bisogno di 2 o 4 cavi, ciascuno dei quali porta calore e rumore nel criostato: i materiali superconduttori infatti hanno bisogno di temperature bassissime per funzionare. Inoltre, impacchettare tutti questi cavi in così poco spazio porta a delle sfide di progettazione”.

Tuttavia il numero di qubits è nulla senza il controllo, fa notare Montangero. Assemblare un calcolatore quantistico non significa soltanto ammassare il più alto numero di qubit possibile. Al crescere del numero di qubit aumenta anche la difficoltà nel mantenere la precisione delle singole operazioni logiche e sincronizzarne il funzionamento: “Google ad esempio per ora si è fermata a circa 50 qubit, ma ogni anno pubblica diversi lavori che mostrano che va avanti passo dopo passo, su tutti i fronti. IBM probabilmente ha scelto un’altra strategia: prima scaliamo e poi correggiamo gli errori”.

Proprio da quella prima uscita di Google del 2019, la corsa al computer quantistico è diventata anche una battaglia di annunci per conquistare l’attenzione del pubblico e degli investitori. Per la prima volta, alla fine dello scorso anno, un’azienda privata interamente dedicata allo sviluppo del computer quantistico, IonQ con sede nel Maryland, Stati Uniti, si è quotata in borsa, venendo valutata quasi 2 miliardi di dollari. Oggi è già quasi a 3 miliardi di dollari.

Europa

La potenza di calcolo che il computer quantistico può mettere a disposizione di chi ci investe può cambiare le regole del gioco di diversi settori, quali la sicurezza informatica, la ricerca biomedica e più in generale tutto ciò che richiede potenza di calcolo e analisi di grandi quantità di dati. Gli Stati Uniti e la Cina si sono già assicurati posizioni di vertice nella gara. “Sarebbe bello vedere emergere dal lato industriale anche i player europei” auspica Montangero.

Più di qualche start-up c’è anche in Europa, come Alpine Quantum Technology, con sede a Innsbruck, Austria, Pasqal, spin-off dell’Istituto di Ottica francese, o la IQM finlandese. Esiste poi una roadmap europea per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche che prevede di sostenere per altri 7 anni almeno i quattro pilastri (ovvero calcolo, simulazione, comunicazioni e sensoristica) già costruiti dalla Quantum Flagship, il programma di finanziamento della Commissione Europea, partito nel 2018 con un budget di 1 miliardo di euro in 10 anni.

A questo si sommano diverse iniziative nazionali. Quanto la Germania ritiene strategiche le tecnologie quantistiche lo fa capire l’investimento da oltre 2 miliardi di euro in 5 anni stanziato dal governo tedesco, la cui erogazione è già iniziata. Non da meno è l’iniziativa francese, operativa da quest’anno: 1,8 miliardi di euro in 5 anni. Secondo quanto riporta qureca.com l’investimento globale in tecnologie quantistiche nel 2021 ammontava a circa 24 miliardi di dollari.

Italia

Sebbene in Italia non siano previste iniziative di finanziamento paragonabili a quelle d’oltralpe, qualche supporto al settore è in arrivo dal PNRR. Secondo quanto riporta Nature Italy, uno dei 5 centri nazionali per cui sono stati stanziati 1,6 miliardi di euro sarà dedicato a “simulazione avanzata e big data” e l’INFN di Bologna fungerà da hub.

L’università di Padova nel frattempo ha finanziato il progetto Quantum Computing and Simulation Center come World Class Research Infrastructure, ovvero una delle “infrastrutture di ricerca fortemente innovative aventi caratteristiche di eccellenza scientifica e tali da costituire un punto di riferimento nel panorama internazionale”. Simone Montangero sarà a capo del progetto, di cui il Dipartimento di Fisica e Astronomia (DFA) sarà capofila e al quale parteciperanno altri nove dipartimenti dell’Università di Padova, il centro interdipartimentale per le tecnologie quantistiche Padua Quantum Technology Center, un centro di Ateneo, oltre che una cordata di enti di ricerca, imprese private e istituzioni pubbliche locali, nazionali e internazionali: tra questi le univeristà e laboratori di Trieste, Trento, Pavia, L’Aquila, il Cineca, l’INFN, le società Arakne e Neat. “A breve dovrebbero iniziare i lavori per la costruzione del nuovo laboratorio a Padova che ospiterà l’infrastruttura di calcolo e simulazione basata sull’approccio degli ioni intrappolati” spiega Montangero.

Anche la Regione Veneto ha scelto di investire sulle tecnologie quantisitche. Sempre tramite PNRR sono in arrivo alle regioni fondi per ricerca e sviluppo e tramite la finanziaria Veneto Sviluppo verranno sostenuti con 650 milioni di euro 19 progetti di alta tecnologia: tra questi figurano anche le comunicazioni quantistiche e i sistemi di sicurezza quantistici da applicare in ambito informatico. Paolo Villoresi, professore di fisica al dipartimento di ingegneria dell’informazione e direttore del Padua Quantum Technology Center, è a capo del progetto, nonché coordinatore dell’intero comitato tecnico scientifico regionale.

Strutturare la comunità

“I programmi di finanziamento, europei ma anche nazionali, sono un ottimo aggregatore per il settore” spiega Montangero che con il consorzio di laboratori di ricerca Pasquans fa parte del gruppo di coordinamento europeo per la simulazione quantistica.

“Siamo in un momento storico in cui i fondi sono sufficienti. Semmai è più importante pensare alla sostenibilità economica nel tempo: non serve concentrare tutto ora, ma piuttosto sostenere la ricerca di base e le attività di trasferimento tecnologico nel medio-lungo periodo e programmare con lungimiranza lo sviluppo del settore” sostiene Montangero. “Una sfida da affrontare invece, a livello nazionale ma anche europeo, riguarda la formazione di figure specializzate, non solo per l’accademia ma anche per l’industria. Il settore è in forte espansione e serve più formazione”.

A Montangero piacerebbe nascesse qualcosa di simile a una società italiana per le tecnologie quantistiche per strutturare ancora meglio la comunità scientifica di riferimento: “Ce n’è bisogno, i tedeschi non ci sono ancora riusciti, la comunità italiana ci sta lavorando. Spererei che potremo annunciarla presto, coinvolgendo tutti gli attori in gioco. Se faremo sistema l’Italia potrà giocare un ruolo importante per le tecnologie quantistiche che verranno in futuro”.

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