Cosa sono i computer quantistici e dove ci porteranno: nasce la Quantum Bay

Materiali progettati con proprietà inedite, ideati per rispondere a specifiche esigenze. Farmaci più efficaci ottenuti con costi e tempi della ricerca ridotti. Modelli climatici assurdamente complessi in grado di fronteggiare emergenze e prevenire catastrofi. E ancora una Rete Internet nuova di zecca e sistemi di crittografia per mettere in sicurezza le comunicazioni

Tutto questo, e forse molto altro ancora, sarà presto alla nostra portata grazie ai nuovi computer quantistici. Una rivoluzione alla quale Napoli partecipa da protagonista al punto che, come fu per la Silicon Valley dove si affermò la rivoluzione dell’informatica, 

oggi qualcuno definisce il golfo partenopeo una Quantum bay.

Il Centro di Computazione Quantistica Superconduttiva inaugurato il 29 maggio al dipartimento di Fisica Ettore Pancini dell’Università Federico II di Napoli è l’unica struttura pubblica del genere in Italia e ospita il più potente computer quantistico italiano su piattaforma superconduttiva, uno tra i quattro o cinque principali in Europa. Il progetto è stato finanziato con circa 4,5 milioni di euro nell’ambito delle attività del National Centre for High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing ed è solo l’ultima tappa di un percorso iniziato alcuni anni fa che ha già segnato importanti traguardi. Ma, soprattutto, è un’avventura della ricerca di frontiera per il nostro Paese, perché da qui inizia un nuovo cammino, tutto da esplorare e ricco di promesse. Per raccontare quest’avventura, però, è necessario capire, almeno per sommi capi, che cos’è un computer quantistico.

I computer quantistici sono, essenzialmente, un nuovo tipo di computer basato sulla fisica quantistica, che utilizza elettronica a superconduttori, componenti che a temperature estremamente basse (prossime allo zero assoluto) mostrano proprietà peculiari, proprie di 

quella parte della fisica che cerca di comprendere il mondo al suo livello microscopico, fatto da miliardi e miliardi di particelle dove non valgono le ‘normali’ leggi della fisica macroscopica (per intenderci quella di Newton e Galileo) ma altre più complicate, ‘misteriose’ e spesso paradossali. 

Due esempi su tutti: la natura ondulatoria o corpuscolare della luce (per cui questa a volte si comporta come un’onda e a volte come un corpuscolo con conseguenze diverse) e il famoso principio di indeterminazione di Heisenberg, per il quale quanto più precisamente si conosce la posizione di una particella, tanto più incerta diventa la sua velocità e viceversa.

Basandosi su questa ‘strana’ fisica, i computer quantistici si presentano come i protagonisti di una rivoluzione tecnologica che sta ridefinendo il concetto stesso di computer e non è difficile capire perché. Tanto per cominciare, al contrario di quelli tradizionali che eseguono operazioni in sequenza su stringhe di bit (le unità fondamentali dell’informazione che possono trovarsi solo in uno fra due stati ‘0’ o ‘1’), i computer quantistici lavorano in parallelo con unità d’informazione chiamate qubit, sfruttando un fenomeno tipico della meccanica quantistica, quello della sovrapposizione degli stati, per il quale un qubit può valere ‘0’ o ‘1’ oppure ‘0’ e ‘1’ allo stesso tempo. Un po’ come il famoso gatto di Schroedinger che può essere vivo o morto o contemporaneamente vivo e morto, finché la probabilità non ‘collassa’ in uno dei due stati quando apriamo la scatola per guardare. I computer quantistici, dunque, possono codificare i dati in una quantità esponenzialmente maggiore di stati, il che li rende enormemente potenti. Ad esempio, nel 2019, il computer a 53 qubit di Google ha svolto un calcolo quantistico in 200 secondi contro i 10mila anni necessari a un computer tradizionale.

Un altro principio tipico della meccanica quantistica sfruttato dai computer quantistici per fare le loro ‘magie’ è quello dell’entanglement, cioè quella sorta di legame che si stabilisce tra un qubit e un altro, per il quale un cambiamento che si verifica su uno si appare sull’altro istantaneamente e indipendentemente dalla distanza. Questo permette la forte accelerazione del calcolo dei computer quantistici. Infine, l’interferenza quantistica che consente, in un certo senso, di controllare la misurazione dei qubit, sfruttando la natura ondulatoria cui accennavo prima. In definitiva, la potenza dei computer quantistici ci permetterà di affrontare problemi prima irrisolvibili, ma ad un prezzo: quello della grande complessità richiesta per realizzarli perché, come accennato, richiedono tecnologie d’avanguardia basate sulla superconduttività.

Ora, dire superconduttività, vuol dire che per funzionare i processori quantistici devono essere davvero molto freddi, appena qualche centesimo di grado sopra lo zero assoluto (-273,15°C). A queste temperature, alcuni materiali manifestano, infatti, un importante effetto quantistico: gli elettroni li attraversano senza incontrare resistenza. In pratica, diventano superconduttori.

Quando poi gli elettroni passano attraverso materiali superconduttori si accoppiano, formando le cosiddette ‘coppie di Cooper’ che possono trasportare una carica attraverso barriere o isolanti.

È il fenomeno noto come ‘tunneling quantistico’. Collocando, poi, due superconduttori su entrambi i lati di un isolante si realizza un componente chiamato giunzione Josephson e i computer quantistici possono utilizzare proprio le giunzioni Josephson come qubit superconduttori. Come spiega il fisico Francesco Tafuri (ideatore dell’intero progetto del Centro di Computazione Quantistica Superconduttiva e responsabile scientifico per la ‘Federico II’ del Centro Nazionale di Quantum Computing), «la superconduttività è la piattaforma più promettente per arrivare ai computer quantistici perché è la più scalabile e integrabile. A Napoli abbiamo una tradizione di 50 anni riconosciuta a livello internazionale nella superconduttività e nelle giunzioni Josephson che sono alla base dei computer quantistici a piattaforma superconduttiva». Proprio questa tradizione ha permesso al gruppo napoletano in questi ultimi anni, di percorrere il cammino che ha portato all’inaugurazione del 29 maggio.

Già nel 2018, infatti, al dipartimento di Fisica operava un laboratorio congiunto con Seeqc (azienda newyorkese del settore) e nel 2020 veniva misurato il primo qubit superconduttivo d’Italia. Poi nascevano i primi due computer quantistici pubblici italiani a 5 qubit, mentre ora si compie un altro salto in avanti, grazie al terzo computer quantistico da ben 24 qubit (ma progettato per arrivare a 100) installato nel campus universitario di Monte Sant’Angelo. Questo dispositivo è stato caparbiamente voluto (rinunciando a prendere facili scorciatoie come l’acquisto all’estero di soluzioni chiavi in mano) soprattutto per far sviluppare e approfondire le necessarie competenze in questo settore d’avanguardia tra i giovani ricercatori locali. Ma questa struttura ha anche una missione più ampia e strategica perché sosterrà l’industria, la ricerca e la filiera italiana del calcolo quantistico adottando, tra l’altro, sistemi di supporto con processori quantistici alternativi sviluppati alla ‘Federico II’ in collaborazione con industrie e centri di ricerca. Ad esempio, c'è una stretta collaborazione con il Leonardo Quantum Lab di Roma, che è il centro di ricerca sulle tecnologie quantistiche della principale azienda tecnologica italiana. Entro la fine dell’anno, poi, è già in programma il suo potenziamento con l’istallazione di un processore a 40 qubit.

L’ecosistema della Quantum bay napoletana comprende, però, anche un’altra disruptive innovation, quella della Quantum Internet, un nuovo concetto di rete Internet basata sempre sulla meccanica quantistica. Qualcosa che ridefinisce il concetto stesso di comunicazione e che promette di rivoluzionare, con capacità senza precedenti, settori strategici come le comunicazioni cifrate o il calcolo quantistico distribuito. Al dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione (DIETI) dell’università ‘Federico II’ opera un gruppo di ricercatori, dottorandi e post-doc, guidato da Angela Sara Cacciapuoti e Marcello Caleffi, che si pone tra i leader mondiali nel design ingegneristico delle reti quantistiche e che ne sta letteralmente scrivendo la storia e le regole. 

Quello della Quantum Internet, infatti, è un campo talmente nuovo che se ne stanno ancora costruendo i riferimenti normativi e tecnici.

Nel marzo 2023, l’Internet Research Task Force (organismo internazionale che si occupa dell’evoluzione di Internet e dei suoi standard) ha approvato un primo documento tecnico che stabilisce un quadro di riferimento globale per la Quantum Internet. È stato scritto e firmato da sette scienziati da tutto il mondo, tra i quali solo due italiani: i napoletani Marcello Caleffi e Angela Sara Cacciapuoti. Proprio quest’ultima ricorda che la stesura del documento «ha richiesto ben 4 anni e 11 versioni ed è solo il primo passo di un viaggio che durerà anni ma è anche una sfida entusiasmante verso l’Internet del futuro». Un altro riconoscimento è arrivato pochi giorni fa, il 6 maggio, quando Cacciapuoti, Caleffi e Tafuri (assieme ad altri tre scienziati italiani) hanno ricevuto il prestigioso premio internazionale IEEE Communications Society Award for Advances in Communication, per il loro articolo del 2020 intitolato «Quantum Internet: Networking Challenges in Distributed Quantum Computing». È una specie di ‘Oscar’ del settore assegnato, come recita la motivazione, «al miglior articolo scientifico degli ultimi 15 anni che abbia aperto nuove linee di lavoro, immaginato approcci audaci alla comunicazione, formulato nuovi problemi da risolvere e sostanzialmente ampliato il campo dell'ingegneria delle comunicazioni».

È un riconoscimento che ha valore globale perché la IEEE Communications Society riunisce decine di migliaia di scienziati, professionisti ed esperti in ingegneria delle comunicazioni e delle reti di computer ed è la prima volta che scienziati italiani vengono insigniti con questo premio. Non è la prima volta, invece, per Angela Sara Cacciapuoti che già pochi anni fa era stata premiata per un motivo che è bello segnalare per le ragazze che vogliono intraprendere la via della ricerca scientifica. Nel 2021 è stata una delle 13 donne in tutto il mondo a ricevere il premio Stars in Computer Networking and Communications, conferito per la sua ricerca legata «alla comprensione delle sfide e dei progressi tecnologici necessari per la realizzazione di una Quantum Internet». Il riconoscimento è assegnato da N2Women, associazione internazionale supportata dalla Communications Society di IEEE e da partner industriali come Google, Facebook, Microsoft e HP.

Ora proviamo a tirare le somme di questo discorso. L’ampliamento del laboratorio di tecnologie quantistiche dell’ateneo napoletano (con l’inaugurazione del computer quantistico su piattaforma conduttiva più potente d’Italia), il ruolo giocato a livello globale dal gruppo di Quantum Internet e la recente istituzione del corso di Laurea Magistrale in Quantum Science and Engineering, delineano un vero ecosistema delle Quantum Technologies che si muove sul confine tra quanto è conosciuto e quanto è ancora da svelare. Ma, soprattutto, segnano la volontà di presidiare un settore strategico della ricerca dove i Paesi più avanzati del mondo sgomitano e competono per il controllo di una tecnologia che può dare un vantaggio strategico incredibile a chi ne sarà in possesso.

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