Cosa è la QC
Negli ultimi anni il termine Quantum Computing è sempre più usato anche al di fuori dei laboratori di ricerca, impegnando sempre più figure specializzate nella corsa alla supremazia quantistica e diventando, di fatto, uno degli asset strategici nelle vision prossime future di grandi investitori e di Stati.
La continua ricerca di personale altamente qualificato è uno dei sensori di questa tendenza, così come il tasso annuo composto (CAGR) che è previsto in aumento del 56% nel periodo 2020-2030 fino ad arrivare a quasi 65 miliardi di dollari nel 2030 [1],
Cosa è alla base di questa nuova tecnologia che rende appetibile il settore? Quali sono i limiti attuali? Perché molte nazioni stanno approntando piani strategici dedicati? Qual è la situazione in Italia?
Potenzialità di calcolo – algoritmo di Grover
Alla base del calcolo quantistico c’è il qubit (o bit quantistico). Esso deriva dalla definizione di una fisica completamente diversa da come viene percepita nel quotidiano: Per fare un esempio, se nella elettronica classica possiamo aumentare il volume della radio progressivamente, in quella quantistica si riesce solo “a gradini” per quanti ben definiti a seconda del sistema fisico in studio.
Il principale vantaggio del qubit sul classico bit (0 o 1) è che esso può trovarsi in ambo gli stati in contemporanea (principio di sovrapposizione) e può assumere tutti gli stati iniziali in contemporanea quindi riducendo i tempi di calcolo basandosi sulla meccanica quantistica. In particolare, l’algoritmo di Grover permette di trovare un particolare stato in un sistema di N elementi con un numero di operazioni pari alla radice quadrata di N, mentre un algoritmo tradizionale impiegherebbe N/2 operazioni.
Questa è la grande “minaccia” del calcolo quantistico: Se finora si è aumentato il numero di elementi per rendere sempre più ardua la capacità di decrittare un messaggio, il Quantum Computing praticamente azzera i tempi di decrittazione mediante semplice forza bruta.
D’altro canto, la seconda proprietà quantistica del qubit, l’entanglement rende una trasmissione di messaggi intrisecamente sicura a livello quantistico: Un eventuale intruso che vuole anche semplicemente leggere il messaggio senza alterarlo, in maniera irreversibile fa decadere lo stato quantistico del messaggio e lo rende inutilizzabile sia per sé che per il ricevente (che quindi sa del probabile accesso). [2], [3]
Le operazioni sui bit e sui qubit sono volte all’ottenimento di un calcolo, una trasmissione o una memorizzazione di dati. Se questo è abbastanza facile agendo con i bit, risulta più complesso con i qubit. Ma a questa complessità si aggiunge un altro fattore: la durata del qubit nel suo stato per un periodo adeguato alla esecuzione del calcolo o rispetto alla distanza tra trasmettitore e ricevitore. Questa stabilità viene denominata coerenza. Allo stato attuale i limiti fisici legati principalmente al mantenimento dello stato del qubit nel lungo periodo impongono attività di ricerca di base per lo studio della fenomenologia e al contempo di ricerca industriale per trovare soluzioni sempre più applicabili al mondo macroscopico ove viviamo.
È quindi chiaro il motivo della corsa alla Quantum Supremacy, definita con le parole del fisico John Preskill nel 2012: "Ho proposto il termine "quantum supremacy" per descrivere il momento in cui i computer quantistici avrebbero fatto cose che i computer classici non potranno mai ripetere, a prescindere dall'utilità dell'operazione svolta."
Ad oggi viene interpretato dai vari centri di ricerca come la capacità di svolgere calcoli più complessi dei precedenti in termini quantistici, seppur risolvibili con computer classici.
La vera corsa alla Quantum Supremacy è in realtà iniziata nel momento in cui il computer quantistico è riuscito a svolgere calcoli per i quali il computer classico ci avrebbe messo un tempo non accettabile (diversi secoli ridotti a pochi secondi).
Chi sta correndo nel Quantum Supremacy Race?
Un pò tutti gli Stati con tecnologia avanzata e forti basi di fisica quantistica e nucleare stanno partecipando a questa corsa e molti hanno inserito questo settore tra i piani strategici di breve-medio termine avendo come riferimento il 2030.
Principalmente lo sviluppo del Computer Quantistico viene basato su due tecnologie di gestione del qubit: Trappola di ioni e Gestione dei fotoni.
Di seguito gli ultimi tre anni di gara:
Nel 2019 Google ha affermato di avere raggiunto tale obbiettivo grazie al proprio Quantum Computer Sycamore (con 54 qubit) in grado di risolvere in 3 minuti un calcolo che un supercomputer classico risolverebbe in 10.000 anni.
Nel 2020 la University of Science and Technology of China (USTC) ha annunciato di aver raggiunto la supremazia con il computer quantistico basato sui fotoni denominato Jiuzhang (76 qubit). Con tale sistema la USTC ha affermato di esser riuscita a risolvere in 200 secondi un calcolo che avrebbe impegnato il miglior supercomputer al mondo per qualche miliardo di anni.
Nel 2021 (24 settembre), sempre la Cina con la USTC ha annunciato di essere ancora in testa alla partita grazie al processore Zuchongzhi (66 Qubit) che viene dichiarato essere da 100 a 1000 volte più potente per Sycamore.
Il supporto delle singole nazioni o fondi transnazionali è, d’altro canto, indispensabile per poter gareggiare o quantomeno non restare indietro con questa nuova tecnologia. Molte nazioni o iniziative comuni sono state avviate e alcune sono ad uno stato avanzato in termini di applicazioni, ricerca ed evangelizzazione con molte start-ups e early-adopters.
Indubbiamente, al di là delle dichiarazioni politiche o di contesto, un misuratore di quanto una data nazione sta facendo per la quantum technology è l’investimento messo in atto e i fondi messi a disposizione per sviluppare tale tecnologia. In base al Quantum Daily del 29/04/2021 [4], la situazione è riassunta nella seguente tabella:
I
valori dei fondi e delle iniziative statali di supporto sono un
indicatore di quanto si ritiene strategico questo nuovo settore e
degli sforzi che le varie nazioni stanno facendo per supportare la
ricerca e l’industria.
Vediamo le iniziative comuni europee e quindi il supporto che l’Italia può offrire.
Il primo programma europeo dedicato alla QC è il Quantum Technology Flagship Program [5]. L’iniziativa, partita nel 2018 prevede un supporto in 10 anni per circa 1000 M€.
Ad oggi sono stati finanziati 24 progetti per complessivi 152 M€.
Altra iniziativa basata sui fondi Horizon2020 è invece Quantera [6], ove ad oggi sono previste Call per circa 40 M€.
L’Italia?
Quindi anche l’Unione Europea sta cercando di fare la propria parte. Ma come l’Italia sta partecipando?
Sicuramente con i propri migliori ricercatori assunti con stipendi adeguati alle loro specifiche competenze presso i più prestigiosi laboratori in giro per l’Europa.
Ma quanto il nostro Paese sta facendo in termini di progetti e capacità di attrare una parte dei fondi descritti nelle iniziative EU? Vediamo la situazione ad oggi.
Nel 2019 la Call Quantera ha finanziato 12 progetti per un totale di 12,5 M€ e di questi l’Italia ha ricevuto 1,27 M€ partecipando ad 8 progetti internazionali di cui su due ha agito da Coordinatore. Il finanziamento complessivo ricevuto la colloca al terzo posto dopo Francia (2,2 M€) e Germania (1,9 M€).
Una nuova Call Quantera è attualmente aperta per il 2021.
Relativamente al Quantum Technology Flagship Program, l’Italia partecipa tramite il CNR che coordina le attività nazionali [7] e supporta anche altri progetti Horizon2020.
Da quanto emerge, l’Italia ha le potenzialità per competere insieme a validi partner europei nella corsa alle applicazioni di Quantum Technology (anche in considerazione del fatto che imprese altamente tecnologiche hanno sedi locali sia di R&D sia produttive e di conseguenza si auspica anche in termini di Quantum Supremacy). Ciò è confermato dalla visione strategica che il PNR (Piano Nazionale di Ricerca) 2021-2027 ha evidenziato. L’Italia ha, ad esempio, una infrastruttura in fibra ottica in grado di supportare la comunicazione quantistica. Di fatto, l’Italian Quantum Backbone (IQB) è come una autostrada in fibra ottica lunga 1.850 km (oggi unica in Europa), pertanto, può contribuire fattivamente allo sviluppo e rendere possibile test per una comunicazione quantistica sicura. Il nostro Paese, per quanto riguarda la sensoristica, può essere estremamente competitivo in un mercato in forte crescita (nello stesso PNR viene menzionato che “Il mercato globale della sensoristica vale più di 200 miliardi di euro, con una crescita stimata annuale del 10% per i prossimi 5 anni”
Numeri veramente impressionanti ed in continua evoluzione; tuttavia, si riscontrano problemi sempre più evidenti di coordinamento e di aggregazione delle risorse. Come evidenziato dal Prof. Cataliotti, direttore dell’Istituto Nazionale di Ottica presso il Centro Nazionale delle Ricerche (CNR), e dal Prof. Calarco, direttore del Peter Grünberg Institute, a Jülich in Germania, nell’articolo recente apparso su Nature [8]: “L’Italia ha necessità di uno sforzo politico e coinvolgente le PMI e le grandi industrie per poter realmente partecipare allo sviluppo di questa tecnologia. Azione che anche il PNRR di recente sta cercando di recuperare distribuendo un finanziamento complessivo di 1600 M€ tra i 9 futuri centri di eccellenza e di aggregazione università-centri di ricerca-industrie ed ove viene incluso il Centro Nazionale per le tecnologie quantistiche e i materiali avanzati, la fotonica e l'optoelettronica (ovviamente è ancora un divenire…).
Una presentazione esaustiva del potenziale che l’Italia può mettere in campo nel settore della crittografia in collaborazione con altri enti europei è il progetto Quantum-Secure Net, descritto in [9],[10], [11]
L’augurio è che finalmente ci sia un punto aggregante reale tutto italiano per la Quantum Technology con un ritorno sia in termini scientifici sia applicativi che confermino le proiezioni di PIL, l’impatto occupazionale e il rafforzamento infrastrutturale che il PNRR auspica.
Alberto Monici
Bibliografia
[1] https://finance.yahoo.com/news/worldwide-quantum-computing-market-2019-094356068.html
[4] https://thequantumdaily.com/2021/04/29/15-countries-with-national-quantum-initiatives/
[7] http://www.qtflagship.cnr.it/
[8] https://www.nature.com/articles/d43978-021-00041-6
[9] https://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/il-progetto-quantum-secure-net-parte-13-la-minaccia-quantum-alla-crittografia-moderna
[10] https://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/il-progetto-quantum-secure-net-parte-23-prodotto-europeo-di-quantum-key-distribution
[11] https://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/il-progetto-quantum-secure-net-parte-33-prodotto-europeo-di-quantum-key-distribution
Immagine: Will Quantum Computing be the doom of the Payment Industry? – Cryptera
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