CNR PRIMA ISTITUZIONE ITALIANA NEL QUANTUM NETWORK DI IBM

L’Istituto di calcolo e reti ad alte prestazioni Cnr-Icar e l’Istituto di informatica e telematica Cnr-Iit del CNR - Consiglio nazionale delle ricerche entrano a far parte dell’IBM Quantum Network, una rete globale di oltre 170 organizzazioni con accesso alle competenze e alle risorse quantistiche di IBM, al software quantistico basato su cloud, agli strumenti per sviluppatori e all’accesso premium ai sistemi di calcolo quantistico di IBM.

Per la presidente del CNR Maria Chiara Carrozza l’accesso al Quantum Network consente la cooperazione con prestigiosi partner internazionali che svolgono ricerca nel settore delle quantum technologies e mette a disposizione dello sviluppo del Paese uno strumento di frontiera avanzatissimo, in questa prima fase destinato solo ai ricercatori di Cnr-Icar e Cnr-Iit che attraverso queste tecnologie si propongono tra l’altro di favorire la formazione di nuove figure professionali e di ricerca come l’ingegnere quantistico. “Il quantum computing - afferma Alessandro Curioni, direttore di IBM Research per l’Europa - è fondamentale, assieme ai computer classici, per fronteggiare alcune delle sfide più grandi che abbiamo di fronte: dai modelli per simulare accuratamente il mondo fisico, ed eventualmente progettare farmaci e materiali migliori, agli strumenti per affrontare problemi di ottimizzazione complessi come quelli legati alla modellazione del clima e della finanza. Anche gli obiettivi del piano nazionale di ripresa e resilienza possono trovare nel quantum computing un valido alleato”.

I membri dell’IBM Quantum Network hanno attualmente accesso a più di 20 computer quantici, compreso un sistema quantistico Eagle con l’ultimo processore a 127 qubit. IBM prevede una tabella di marcia di sviluppo che porterà a un sistema quantistico con un processore da 1121 qubit entro il 2023, a disposizione degli scienziati del Cnr con l’obiettivo di risolvere problemi che sarebbero irrisolvibili con la tecnologia di calcolo tradizionale.

Com’è possibile? E cosa sono i qubit? Il quantum computing sfrutta la meccanica quantistica per risolvere problemi molto complessi, troppo per i computer classici. Infatti di fronte a determinati tipi di problemi a volte non riescono a trovare una soluzione neanche quelli che consideriamo “supercomputer”: macchine molto grandi, con migliaia di processori, che tuttavia non sono in grado di elaborare un alto grado di complessità, ossia problemi con molte variabili che interagiscono in modi complicati. Com’è noto, un processore classico utilizza i bit (binary digit, una cifra binaria rappresentata solo dai valori 0 o 1), mentre un computer quantico riesce ad eseguire algoritmi multidimensionali grazie al qubit (quantum bit) che non ha un’identità binaria ma, grazie alla proprietà di sovrapposizione, può avere più stati quantici possibili. Un’identità sfumata, rappresentata da una combinazione di 0 e 1 oltre che una certa probabilità di essere 0 e una certa probabilità di essere 1. Due bit rappresentano quindi i quattro valori possibili 00, 01, 10, 11 ma uno alla volta; con due qubit in sovrapposizione ognuno di essi può 1, 0 o entrambi, quindi contemporaneamente gli stessi quattro valori. Altra proprietà è la correlazione quantistica (entanglement), un’interdipendenza definita da Einstein “spaventosa azione a distanza”, ossia la possibilità dei qubit di condividere una condizione pur distanti, se vincolati. Tornando alla potenza di calcolo, i computer quantistici possono quindi risolvere problemi irrisolvibili per i supercomputer classici che non hanno memoria sufficiente e devono analizzare ogni combinazione una dopo l’altra, cosa che può richiedere molto tempo, a differenza dei computer quantistici che invece possono calcolare più operazioni in parallelo. IBM stessa descrive i computer quantistici come macchine più piccole dei supercomputer e che richiedono meno energia: un processore IBM Quantum è un wafer non molto più grande di quello di un laptop; un sistema hardware quantistico ha le dimensioni di un’auto, composto principalmente da sistemi di raffreddamento per mantenere il superconduttore alla freddissima temperatura operativa di circa un centesimo di grado Celsius sopra lo zero assoluto, la temperatura teoricamente più bassa consentita dalle leggi della fisica.

A proposito della capacità computazionale dei computer quantici e delle possibilità all’orizzonte, il direttore di Cnr-Icar Giuseppe De Pietro commenta: “La computazione quantistica nei prossimi anni consentirà di trovare soluzioni a problemi scientifici ed applicativi ritenuti irrisolvibili con gli attuali sistemi di supercalcolo. Ciò comporterà un cambiamento radicale nel modo di pensare la progettazione di algoritmi e software, aprendo nuovi campi di ricerca. L’Istituto di calcolo e reti ad alte prestazioni, con l’esperienza dei propri ricercatori nel campo dell’intelligenza artificiale e del machine learning, ha raccolto la sfida di orientare le proprie attività di ricerca anche nel solco della quantum intelligence, per proporre soluzioni innovative basate sull’intelligenza artificiale e capaci di sfruttare le enormi potenzialità dei computer quantistici”. Conclude Marco Conti, direttore di Cnr-Iit: “La disponibilità dei calcolatori quantistici apre una nuova frontiera per la ricerca informatica, sia nel campo del calcolo che nel mondo di Internet. Queste sfide sono particolarmente sentite dai ricercatori dell’Istituto di informatica e telematica Cnr-Iit che hanno sviluppato le loro attività di ricerca nel solco della tradizione pisana: il primo calcolatore italiano, negli anni ‘50, e la nascita della rete internet in Italia, negli anni ‘80, cioè le pietre miliari nello sviluppo dell’informatica italiana e nella digitalizzazione del Paese. L’auspicio è quello di contribuire a una nuova fase partendo dal quantum computing con l’obiettivo di arrivare al quantum internet, cioè una rete basata sul trasferimento di qubit, e cioè di stati quantistici invece di semplici bit, utilizzando il teletrasporto quantistico”.