Da CRS4 una guida sulle Tecnologie quantistiche nel mondo

Roma – Una delle maggiori rivoluzioni tecnologiche di sempre – quella quantistica – è alle porte. Per fare chiarezza su uno dei settori più affascinanti ma anche più complessi dell’attuale momento di passaggio scientifico-tecnologico, 30Science si è confrontata con il Centro di Ricerca, Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna (Crs4), guidato dall’amministratore unico Giacomo Cao – una eccellenza italiana che ha tra i suoi obiettivi strategici proprio quello dell’avanzamento allo stato dell’arte in ricerca e sviluppo – e che ha elaborato una agevole guida alle tecnologie quantistiche e alle loro straordinarie possibilità. “I computer quantistici – spiega la guida – si basano su sistemi quantistici a due livelli chiamati qubit che a differenza dei bit convenzionali sfruttano due proprietà della fisica quali sovrapposizione (esistere contemporaneamente in più stati) e entanglement riuscendo a eseguire operazioni su un gran numero di possibili soluzioni simultaneamente, accelerando in modo significativo la risoluzione di determinate classi di problemi di difficile soluzione su convenzionali risorse HPC. Costruire computer quantistici a controllo d’errore è una sfida tecnologica complessa che richiede soluzioni innovative per affrontare diversi problemi fondamentali. La ricerca e sviluppo sul nuovo hardware si è concentrata sui seguenti aspetti chiave: l’ovviare alla decoerenza dei sistemi quantistici che realizzano i qubit, la riduzione degli errori quantistici indotti da imperfezioni nell’ hardware o a causa di fluttuazioni ambientali, la connettività tra i qubit stessi che rende possibile la creazione di entanglement, la fedeltà nell’esecuzione delle operazioni a uno o due qubit, la scalabilità intesa come lo sviluppo di tecniche per aumentare il numero di qubit e integrarli in un sistema coerente, la correzione degli errori quantistici per ottenere in prospettiva un qubit logico stabile. Al momento attuale non sono ancora disponibili dispositivi quantistici scalabili e a controllo di errore, ma le realizzazioni attuali, affette da rumore, consentono di trattare problemi complessi che non erano risolubili con la HPC”. Per quanto relativamente giovane il settore delle tecnologie quantistiche ha già ottenuto un enorme interesse e un apporto finanziario straordinario. “La corsa allo spazio quantistico è in corso – spiegano da Crs4 – e i governi di tutto il mondo stanno stanziando adeguate risorse per risolvere problemi computazionali che è impossibile o proibitivo affrontare con le tecnologie attuali. Secondo gli analisti finanziari i quattro settori che probabilmente vedranno l’impatto economico più precoce dell’informatica quantistica, l’industria automobilistica, la chimica, i servizi finanziari e le scienze della vita, potranno potenzialmente guadagnare fino a 1.300 miliardi di dollari di valore entro il 2035. Poiché l’informatica quantistica è ancora un campo giovane, la maggior parte dei finanziamenti per la ricerca di base in questo settore proviene ancora da fonti pubbliche. I finanziamenti privati sono aumentati rapidamente fino al 2023 sebbene nel 2024 si è verificato un calo del capitale di rischio investito in startup quantistiche a livello globale. Europa, Medio Oriente e Africa hanno registrato una crescita del 3%. Oltre 30 governi si sono impegnati a stanziare più di 40 miliardi di dollari in finanziamenti pubblici per le tecnologie quantistiche che verranno implementate nei prossimi 10 anni. Di questi governi attivamente coinvolti nelle tecnologie quantistiche, oltre 20 hanno formulato politiche, finanziamenti e tabelle di marcia coordinate. Gli impegni annuali di finanziamento governativo per la quantistica rappresentano un picco di investimenti in venture capital quantistici stimato pari al doppio di quello del 2022. Anche l’Italia ha fornito chiari segnali di voler rendere le tecnologie quantistiche una priorità nella ricerca dei prossimi anni attraverso il PNR (Programma nazionale della ricerca) 2021-2027 e il PNRR (Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza, che norma la spendita del Recovery Fund all’interno dell’Unione Europea) e le cita come “innovazioni strategiche decisive”. Una delle tecnologie quantistiche più strategiche è la comunicazione computazionale su cui l’Unione Europea sta puntando con la relativa iniziativa per l’infrastruttura europea (EuroQCI). Tra gli scopi, oltre alla connessione a distanza di computer quantistici in modo da mettere a sistema le risorse, c’è anche quello di creare un livello di sicurezza senza precedenti nelle comunicazioni sensibili, grazie alla capacità dei canali quantistici di rilevare immediatamente qualsiasi tentativo di intercettazione. Per far fronte al problema della costruzione di canali quantistici a lunga distanza, i ricercatori della University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) hanno proposto un nuovo approccio per la realizzazione di una rete quantistica: costruire lunghi canali quantistici utilizzando tubi sigillati sotto vuoto con una serie di lenti distanziate. Queste guide di fascio sotto vuoto, di circa 20 centimetri di diametro, avrebbero una portata di migliaia di chilometri e capacità di oltre 10 trilioni di qubit al secondo, migliori di qualsiasi approccio di comunicazione quantistica esistente. Questa nuova tecnologia “rappresenta una soluzione promettente per superare i limiti delle attuali tecnologie in fibra e satellitari nella comunicazione quantistica a lunga distanza”. Così Giuliana Siddi Moreau ricercatrice del Crs4 ha chiarito anche questo punto: “L’articolo in questione – ha continuato la Siddi Moreau – rappresenta una svolta per la realizzazione di un canale quantistico per distanze geografiche oltre il migliaio di chilometri, per cui al momento l’unica alternativa era la crittografia quantistica satellitare. Difatti nel sistema a guida d’onda a vuoto si può creare canali quantistici di migliaia di chilometri con velocità di trasmissione di vari ordini di grandezza superiori alle comunicazioni satellitari. In più le distanze in gioco nella comunicazione quantistica cablata a lungo raggio sono state finora legate ai limiti attuali delle tecnologie in fibra ottica come mezzo di trasmissione. Difatti per la costituzione di canali quantistici a lungo raggio, molte sono le sfide tecnologiche da superare per le attuali fibre: l’attenuazione causata dall’assorbimento e dalla dispersione dei fotoni all’interno della canale, l’assorbimento intrinseco della silice stessa e quello causato da impurità nel materiale, le perdite delle giunzioni e dei connettori, il rumore termico e il rumore di fase causato dalle fluttuazioni dell’indice di rifrazione della fibra portano alla decoerenza degli stati quantistici, riducendo l’efficacia dei protocolli di comunicazione quantistica e pregiudicandone l’applicazione su distanze oltre mille chilometri”. “Auspicabilmente, questa nuovo studio, figlio dell’esperienza maturata nell’esperimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali), potrà fra qualche anno rendere realizzabile l’adozione corrente di tecniche di crittografia quantistica per la messa in sicurezza di comunicazioni sensibili tra diverse nazioni” ha concluso la ricercatrice del Crs4.(30Science.com)