Verso una nuova fase dei computer quantistici

Dalla genomica alla logistica, dalle missioni spaziali alla cybersecurity, il futuro di importanti settori della scienza, con significative ricadute di impatto sociale, “passa” per l’evoluzione dei computer quantistici, strumenti di calcolo in cui l'informazione è codificata direttamente in oggetti quantistici, come elettroni, atomi e fotoni, le cui proprietà consentono  di creare nuovi algoritmi che non possono essere eseguiti sui computer ordinari. Al dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli" dell’Università Statale di Milano,  il Quantum Intelligence Lab, guidato dal professor Enrico Prati, docente di Fisica della Materia, si dedica a progetti di ricerca di quantum computing e intelligenza artificiale con l’obiettivo di perfezionare e migliorare la “performance” di questi computer. 

Diversi i progetti di ricerca su cui è impegnato il laboratorio e che riguardano software di controllo dei computer quantistici (quantum middleware), studi sulla combinazione dei computer quantistici con l'intelligenza artificiale, l’esplorazione di possibili applicazioni dei computer quantistici alla fisica, alla cybersecurity e allo spazio. Sui computer quantistici sono in corso altre iniziative di ricerca del dipartimento come la creazione di un computer quantistico basato sulla luce.

La scommessa dei ricercatori è che i computer quantistici possano rivelarsi importanti strumenti in diversi settori, come racconta, con qualche esempio, il professor Prati: “Recentemente abbiamo dimostrato che un computer quantistico di tipo adiabatico può riconoscere un pacchetto internet anomalo, ad esempio portatore di un attacco informatico, più velocemente rispetto a un computer tradizionale. Stiamo studiando in che modo un computer quantistico assiste una centrale operativa nel determinare come rendere più efficiente una missione spaziale, ad esempio minimizzando l'energia consumata o accorciando i tempi di esecuzione di una serie di task, o ancora le risorse richieste, di una missione su Marte. È possibile pensare di impiegare i computer quantistici per progettare nuovi materiali, simulare processi estremi della scienza, progettare un farmaco specifico associato a una determinata proteina”.

Di computer quantistici si è parlato anche durante il workshop “High Perforamance Computing and Quantum Computing”, organizzato da CINECA con il dipartimento di Fisica della Statale, a dicembre, a cui ha preso parte David DiVincenzo, uno dei padri fondatori della computazione quantistica. Tra gli aspetti  su cui si sono confrontati esperti e studiosi della materia, il superamento dei cosiddetti “Noisy Intermediate Scale Quantum Computers”, ovvero la prima generazione di computer quantistici di piccola taglia non dotati di risorse per la correzione quantistica degli errori.

“Dal momento che gli stati quantistici di elettroni, atomi e fotoni sono estremamente sensibili a qualsiasi interazione con l'ambiente circostante – spiega Enrico Prati –, si cerca di mantenerli nel vuoto, oppure a temperature vicine allo zero assoluto (-273 gradi). Nonostante questi sforzi i campi elettromagnetici circostanti o l'agitazione termica dei componenti possono ancora disturbare gli stati quantistici facendo perdere loro l'informazione che portavano”, spiega il professor Prati che aggiunge: “Ora, però, grazie ai recenti sviluppi di chip quantistici è ora possibile svolgere una parziale correzione quantistica degli errori, senza la quale non potremo arrivare a computer quantistici con risorse sufficienti per problemi di grande taglia”.  

Con una “prospettiva equilibrata e realista”, i ricercatori si muovono quindi, ora in questa direzione, una nuova frontiera per i computer quantistici a cui si sta dedicando anche il dipartimento di Fisica della Statale che ha visto finanziare diversi progetti di computazione quantistica proprio perché promuovono lo sviluppo di questa nuova fase.