Aumentare le capacità tecnologiche e la competitività del nostro paese nei settori strategici del calcolo ad alte prestazioni, dei big data e del calcolo quantistico, integrando e mettendo a sistema le risorse già disponibili nel paese. È questa la principale missione del Centro Nazionale ICSC. Un obiettivo perseguito attraverso l’adozione di un modello che rende direttamente partecipe il mondo produttivo dell’intero processo di sviluppo di nuove applicazioni, il quale può così usufruire dello scambio reciproco di competenze tra ricerca e industria, ed essere di volta involta indirizzato sulla base delle esigenze e delle richieste delle due realtà. Il ricorso a un simile approccio è tanto più giustificato se si prendono in esame ambiti come quello rivolto al calcolo quantistico, in cui colossi quali IBM, Google e Amazon hanno acquisito un vantaggio in termini di know-how, tecnologie e risultati difficilmente colmabile anche per il più ampio e ben finanziato programma di ricerca pubblico che si possa immaginare di attuare. In questo peculiare contesto, risulta perciò quanto mai emblematico il caso dell’Università di Napoli Federico II, dove le capacità tecnologiche acquisite attraverso una strategia incentrata sulla costruzione di sinergie con aziende e gruppi di ricerca internazionali all’avanguardia nel campo delle tecnologie per il quantum computing confluiranno nel progetto per la realizzazione di un computer quantistico scalabile basato su piattaforma superconduttiva con la possibilità di ospitare processori quantici a disposizione dell’intera comunità di ICSC, e più nello specifico dei gruppi di ricerca appartenenti allo Spoke 10 del Centro Nazionale dedicato al calcolo quantistico. Un approccio e un lavoro che hanno inoltre consentito l’integrazione e l’utilizzo di un processore quantistico composto da 5 bit quantistici basati su tecnologie superconduttive raffreddato in un criostato a diluzione a temperature vicine allo zero assoluto (10 milliKelvin), su cui, all’inizio di luglio, presso i laboratori di Computazione Quantistica del Dipartimento di Fisica E. Pancini dell’Università di Napoli Federico II (ndr. qui maggiori informazioni), è stato possibile effettuare la prima misura attraverso l’implementazione di un algoritmo ibrido. Risultato che costituisce un primo traguardo anche del programma che il Centro Nazionale ICSC intende perseguire al fine di rendere il nostro paese un player di riferimento nel settore del calcolo quantistico.
Tra le tecnologie su cui si stanno concentrando gli sforzi volti a consentire il pieno accesso all’informazione quantistica e la sua manipolazione ai fini del calcolo, la piattaforma superconduttiva basata sull’alluminio rappresenta a oggi il sistema di più ampio utilizzo, come dimostrano i calcolatori quantistici di aziende come Google e IBM. Aspetto fondamentale di questi dispositivi è la capacità di realizzare qubit, ovvero l’unità fondamentale d’informazione utilizzata nella computazione quantistica, facendo ricorso alle cosiddette giunzioni Josephson, in grado di determinare uno stato quantistico sulla scala macroscopica dei chip. Risultati importanti nello sviluppo e nelle applicazioni di questi circuiti al calcolo quantistico sono stati ottenuti proprio dall’Università di Napoli, divenuta centro italiano di riferimento per le tecnologie quantistiche superconduttive per il calcolo.
“Grazie a una lunga tradizione di ricerca nel campo della superconduttività”, spiega Francesco Tafuri, docente della Federico II e responsabile del gruppo di ricerca di Napoli affiliato allo spoke 10 del Centro Nazionale ICSC, “negli ultimi anni il nostro gruppo ha concentrato la propria attività nello studio, sviluppo e progettazione di soluzioni per il calcolo quantistico, come le giunzioni Josephson, che, rispetto ad altre tecnologie, garantiscono vantaggi notevoli in termini di scalabilità e di capacità di dialogare e interfacciarsi con tecnologie standardizzate. Un lavoro che è stato caratterizzato da un approccio dinamico e molto aperto nei confronti di realtà internazionali, con le quali sono state sottoscritte diverse partnership, e che ci ha consentito di affiancare alle competenze teoriche capacità tecnologiche altrettanto solide e di cominciare a recuperare rapidamente parte del nostro ritardo tecnologico in questo ambito rispetto ad altri Paesi.”
Uno degli esempi che denota il successo della strategia messa in atto e dell’affermazione dell’Università di Napoli come polo attrattore per le attività legate al calcolo quantistico è quello della Seecq, azienda statunitense di settore, che nel 2017 ha scelto il capoluogo campano come una delle proprie sedi operative europee a seguito di accordi sottoscritti con la Federico II, i quali hanno portato all’attivazione di un laboratorio congiunto. Una collaborazione i cui frutti sono stati raccolti con la costruzione e recente misura, attraverso un algoritmo e a una strumentazione appositamente sviluppati dai ricercatori del Dipartimento di Fisica E. Pancini, di una piattaforma quantistica superconduttiva, che rappresenta l’apripista del più ambizioso progetto che il gruppo di ricerca della Federico II intende realizzare nell’ambito delle attività previste dallo Spoke 10 di ICSC, volto alla costruzione di una facility destinata a ospitare un microprocessore quantistico di capacità superiori.
“Esperienze come quelle con la Seecq”, prosegue Tafuri, “sono risultate di fondamentale importanza per maturare l’expertise necessario alla realizzazione, come la collaborazione con un’altra azienda, la Quantware, che ha consentito l’esecuzione di un algoritmo ibrido nella prima macchina pubblica quantistica con piattaforma superconduttiva nel nostro paese. Un importante risultato che, oltre a dimostrare la capacità dell’intero sistema realizzato di funzionare effettivamente come un computer quantistico, rappresenta un primo passo verso la costruzione a Napoli, grazie ai fondi messi a disposizione dal Centro Nazionale, di un laboratorio dotato di un criostato e di elettronica adatti a ospitare e gestire un piccolo calcolatore da almeno 20 qubit, che ci consentirà anche di testare e sviluppare una tipologia alternativa di hardware da noi ideata, finanziata di recente dal programma europeo EIC pathfinder, con l’obiettivi di diventare autonomi e alternativi dal punto di vista dello sviluppo e costruzione dei chip quantistici”.
Il nuovo laboratorio, che sarà inaugurato a Napoli all’inizio del 2024, fornirà perciò una piattaforma tecnologica superconduttiva per il calcolo quantistico a disposizione dello Spoke 10 e dell’intera comunità scientifica italiana, grazie alla quale potranno essere effettuate attività rivolte al miglioramento dell’hardware e all’individuazione di sistemi di controllo alternativi e di architetture per i microprocessori adatte a implementare algoritmi sviluppati per rispondere a esigenze specifiche, consentendo così la creazione di una filiera dedicata. Tra le possibili soluzioni che la piattaforma consentirà di testare c’è inoltre quella riguardante l’ibridizzazione dei processori quantistici, ovvero la possibilità di disporre di dispositivi in cui convivano, concorrendo alle operazioni di calcolo, tecnologie diverse basate sulla manipolazione di fotoni, atomi o ioni. Anche sullo sviluppo di questi sistemi e sullo studio delle loro potenzialità ai fini del calcolo si concentrerà infatti la ricerca degli altri gruppi coinvolti nelle attività dello Spoke 10 del Centro Nazionale.
“Il laboratorio di Napoli”, spiega Simone Montangero, docente dell’Università di Padova e co-leader dello Spoke 10, “è una delle quattro infrastrutture italiane dedicate allo sviluppo delle altrettante tecnologie oggi disponibili per il calcolo quantistico finanziate dal Centro nazionale ICSC che vedranno la luce nei prossimi mesi. Oltre alle attività condotte nel capoluogo campano, lo Spoke 10, sta infatti coordinando e supportando nel paese le ricerche sulle altre tipologie di piattaforme per il calcolo quantistico, come quelle basate sui fotoni, sugli atomi freddi – o atomi di Rydberg – e sugli ioni intrappolati, svolte rispettivamente dai gruppi delle Università di Roma, Firenze e Padova, i quali potranno perciò avvantaggiarsi delle nuove facilities che nasceranno in queste città per la realizzazione e le misure, in collaborazione sia tra gli stessi gruppi che con le industrie di settore, di chip quantistici diversi. Questo lavoro, che si concentra sull’acquisizione di competenze, e di conseguenza della capacità di innovare, nel campo dello sviluppo degli hardware, si affianca alle altre principali attività di ricerca dello Spoke 10, relative ai restanti livelli che caratterizzano, come nell’informatica classica, il calcolo quantistico: il software, e quindi l’insieme degli algoritmi e la loro applicazione a problemi specifici, e il middleware, ovvero tutta quella componente software profonda e nascosta responsabile dell’effettiva interazione con i qubit”.
Il caso specifico fornito dal lavoro e dai risultati ottenuti dal gruppo di ricerca dell’Università di Napoli rappresenta perciò un esempio di ciò che il Centro nazionale ICSC, e in particolare il suo Spoke 10, si propone di attuare a livello nazionale nel calcolo quantistico attraverso la valorizzazione delle risorse già presenti nel paese e il coinvolgimento diretto delle aziende alla pianificazione dell’attività di ricerca e sviluppo, al fine di promuovere la formazioni di ricercatori e professionisti e di realtà che possono diventare un riferimento a europeo per il settore e essere riconosciute all’avanguardia a livello internazionale. “Il principale obiettivo che lo Spoke 10 e ICSC si sono posti è quello di costruire un ecosistema italiano che possa partecipare da protagonista allo sviluppo futuro della ricerca e dell’industria del calcolo quantistico. Ciò ovviamente non implica entrare in concorrenza con colossi quali IBM o Google attraverso la realizzazione di computer per la produzione e la vendita, ma presuppone che l’Italia possa disporre di laboratori di ricerca di base che supportino l’acquisizione di conoscenza e la didattica, con l’intento di formare professionisti altamente qualificati. Tutto questo allo scopo di poter apportare in futuro contributi originali al calcolo quantistico grazie, per esempio, a brevetti specifici e soluzioni innovative riguardanti componenti hardware, i quali nella loro interezza continueranno a essere realizzati in collaborazione con tutte le realtà industriali interessate. Lo Spoke 10 mira quindi a far diventare l’Italia competitiva anche per quanto riguarda lo sviluppo dell’hardware quantistico per poter contribuire allo sforzo congiunto europeo per sviluppare le tecnologie quantistiche del futuro”, conclude Montangero.
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