Il 2025 è stato proclamato dalle Nazioni Unite “Anno internazionale delle scienze e delle tecnologie quantistiche”. Mentre l’Unione europea prepara il Quantum Act per mettersi nelle condizioni di competere con gli Stati Uniti e la Cina, stiamo assistendo gradualmente al passaggio dal laboratorio al mercato in quella che, dopo l’intelligenza artificiale, sarà probabilmente la “nuova frontiera” dello sviluppo tecnologico. Nel nostro ateneo c’è un centro dedicato alle tecnologie quantistiche: il BiQuTe. Il suo obiettivo è fare da catalizzatore delle iniziative di ricerca che si svolgono nei dipartimenti di Fisica “Giuseppe Occhialini”, Scienza dei materiali e Informatica, sistemistica e comunicazione. Il professor Andrea Giachero ci farà da guida per capire le potenzialità di questo settore.
Cos’è un computer quantistico in termini semplici?
La computazione classica, formalizzata all'interno della teoria dell'informazione, si basa su un'informazione primaria che è il bit. Tutta l'informazione si può scomporre in una sequenza di bit, che possono essere 0 o 1, cosa che è legata in ultima analisi alla caratteristica dei circuiti elettronici. Oggi si parla di teoria dell'informazione quantistica, perché abbiamo sempre i bit con i loro due stati possibili, quindi 0 e 1, ma la peculiarità è che all'interno della nostra computazione possiamo sfruttare la meccanica quantistica, di conseguenza lo stato della nostra informazione può assumere tutti i valori 0 e 1 anche contemporaneamente, la base diventa il qubit, ovvero il bit quantistico. Se noi pensiamo di stimare una percentuale, per esempio il mio stato è al 50% 1 e al 50% 0, durante la computazione siamo in grado di far valere entrambi gli stati e questo aumenta esponenzialmente la capacità di calcolo, molto di più dei notevoli miglioramenti di calcolo che si possono ottenere da un computer tradizionale. Tutti quei fenomeni tipici della meccanica quantistica come l'entanglement, ovvero la correlazione tra gli stati, l'interferenza e la sovrapposizione degli stati che abbiamo imparato a conoscere nel mondo atomico e subatomico sono sfruttabili in termini di capacità di calcolo. Viviamo nell'era dell'high performing computing, ci sono queste enormi stanze piene di server - anche Bicocca ha il suo centro di HPC - e questi cluster computazionali sarebbero molto più efficienti se fossero realizzati con i quantum computer.
Come si fa ad implementare un computer quantistico?
Ci sono mille tipologie. Alla fine si deve in qualche modo creare un sistema che possa sfruttare la meccanica quantistica. Si parla di ioni intrappolati, atomi freddi, circuiti fotonici o circuiti superconduttivi. Al momento non esiste ancora un consenso su quale tecnologia prevarrà, poiché ciascun approccio presenta specifici vantaggi e limitazioni. I circuiti superconduttori, ovvero la tecnologia su cui sta lavorando il Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca, si basano su quelle che si chiamano giunzioni di Josephson e attraverso quello che viene chiamato tunnel quantistico - che poi è l'argomento del Nobel della Fisica di quest'anno - si realizza un piccolo circuito che di fatto simula la dinamica e i livelli energetici di un atomo, infatti si parla di “atomi artificiali”.
I qubit superconduttivi sono quelli più utilizzati: IBM, Google, Amazon, oltre a diverse realtà europee li hanno scelti perché si realizzano molto facilmente rispetto agli altri e in quantità scalabili. I qubit superconduttivi necessitano di temperature vicine allo zero assoluto, che significa meno 270 gradi. Per questi ci vuole quello che si chiama un criostato a diluizione, che permette il raffreddamento a quelle temperature. In Bicocca, come Dipartimento di fisica, ne abbiamo cinque attualmente. Sono sistemi abbastanza complessi , in particolare quelli dedicati alle tecnologie quantistiche sono due, gli altri sono riservati ad esperimenti di fisica fondamentale.
Quali sono i possibili campi applicativi?
Il qubit in generale è un dispositivo molto sensibile, che può abilitare quello che si chiama il “quantum sensing”, ovvero utilizzare i qubit come sensori. La navigazione basata su qubit e sensori quantistici rappresenta una delle alternative più promettenti al sistema GPS, offrendo un posizionamento ad alta precisione che non richiede segnali satellitari. A differenza del GPS, che è vulnerabile alle interferenze, i sistemi quantistici funzionano in modo autonomo misurando le variazioni del campo magnetico o gravitazionale terrestre per determinare la posizione.
Un altro dei temi molto attuali è sfruttare il quantum sensing per misurazioni di fisica fondamentale: ad esempio per ricercare la materia oscura e le onde gravitazionali, ricerca che in Bicocca vorremmo portare avanti utilizzando qubit. Poi c’è tutto il tema della crittografia. Facciamo un esempio semplice: molti sistemi di sicurezza si basano su problemi matematici che richiedono l’esplorazione di un numero enorme di possibili combinazioni. Anche utilizzando supercomputer molto potenti, risolverli con metodi classici richiederebbe tempi estremamente lunghi. In linea teorica, un computer quantistico, dotato di un numero sufficiente di qubit, potrebbe affrontare questi stessi problemi in modo molto più efficiente e veloce, con potenziali implicazioni per la sicurezza informatica.
Siamo ancora comunque allo stato iniziale dello sviluppo di questa tecnologia, perché abbia un impatto di una certa ampiezza sulla società bisognerà attendere ancora una quindicina d’anni. Occorre ancora molta ricerca e sviluppo e il nostro ateneo è in prima linea per la ricerca e la sperimentazione in questo ambito.
