Come i computer quantistici ci aiuteranno a trovare nuovi farmaci e capire meglio l'Universo

"Ci sono molte sfide che l'umanità sta affrontando in questo momento. Pensiamo anche solo alla pandemia. Molti di noi stanno aspettando con trepidazione il vaccino: è in sviluppo, ma ci vorrà del tempo. Forse, se avessimo più tecnologie a disposizione potremmo velocizzarne lo sviluppo. Ma oltre a ciò, ci sono altre sfide oggi e ce ne saranno ancora di più in futuro." E una delle possibili vie per affrontare queste sfide è l'uso dei computer quantistici, i cui campi di applicazione vanno dalla chimica alla farmacologia, dalla fisica alla crittografia, passando per moltissimi altri settori che hanno un impatto diretto e reale sulle vite di tutti noi. Molti esempi sono stati presentati in una conferenza che IBM ha organizzato per mostrare come i computer quantistici stanno già cambiando molte realtà di ricerca.

I computer quantistici come simulatori della natura per capire l'Universo

Il discorso riportato in apertura dell'articolo è di Heike Riel, capo ricercatrice di IBM Research Quantum per l'Europa e l'Africa. La sua prospettiva non è solo tecnica, ma anche molto pratica: Riel fa molti esempi di tecnologie che sono rese possibili dai computer quantistici.

"Tra le sfide che ci attendono troviamo la ricerca di processi di fissazione dell'azoto più efficienti per creare fertilizzanti basati sull'ammoniaca, di nuovi catalizzatori per convertire la CO2 in idrocarburi in maniera efficiente e mirata, di nuovi elettroliti per le batterie litio-aria che possano sostenere le migliaia di cicli di ricarica necessari per il settore aereo, o di nuove classi di antibiotici per combattere i batteri antibiotico-resistenti", afferma Heike Riel. "Per trovare soluzioni a questi problemi dobbiamo simulare i processi della natura, ma ciò è molto difficile sui computer tradizionali perché la natura è quantistica."

Ad avere l'idea per primo fu Richard Feynman nel 1981: "non sono contento delle analisi che usano solo la teoria classica, perché la natura non è classica, dannazione, e se vuoi fare una simulazione della natura, è meglio che tu la faccia quantistica."

Il problema sta nella complessità dei calcoli da effettuare per simulare anche molecole relativamente semplici: "calcolare le proprietà di molecole piccole come la caffeina è impossibile con i computer classici di oggi, ma lo sarà anche con i computer classici di domani. C'è bisogno dei computer quantistici per affrontare questi problemi." Riel continua: "Questi computer possono sembrare strani, ma non sono più un elemento della fantasia: per quanto siano piccoli, sono reali, sono qui fra noi. E questi primi computer sono stati fondamentali per sviluppare i primi algoritmi, dare impulso alla ricerca e allo sviluppo e attrarre nuovi talenti capaci verso questo settore perché applicassero i computer quantistici a problemi reali e di grande impatto."

SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions - SKA Project Development Office and Swinburne Astronomy Productions

Un esempio pratico di utilizzo dei computer quantistici è quello dello Square Kilometre Array, il più grande e più sensibile radiotelescopio al mondo, attualmente in costruzione in Australia e in Sud Africa. Il progetto genererà quantità di dati enormi quando sarà completo: si stima che ogni giorno verrà prodotto 1 exabyte, ovvero un milione di terabyte. "Qualche anno fa i Paesi Bassi e IBM hanno unito le forze per affrontare questa grande sfida dell'elaborare la grande quantità di dati generati dallo Square Kilometre Array. Insieme all'Istituto Olandese di Radioastronomia, Astron, abbiamo sviluppato nuove tecnologie per la radioastronomia."

Il mondo dell'astronomia è però in continua evoluzione: "ora abbiamo avviato una collaborazione con l'Università di Maastricht per supportare l'esplorazione dell'Universo con il telescopio Einstein, che sarà aiutato dai computer quantistici", conclude Riel.

Benno Broer, CEO e fondatore di Qu & Co, conferma quanto aveva predetto Feynman: "la chimica è quantistica e per predire le proprietà delle molecole e dei materiali bisogna simulare le dinamiche degli elettroni che definiscono queste proprietà e ciò può essere fatto accuratamente solo tenendo conto della natura intrinsecamente quantistica di questi oggetti. Ma queste simulazioni sono piuttosto pesanti per i computer tradizionali e ciò significa che molte proprietà importanti sono fuori dalla portata dei computer odierni."

Dall'altro lato, però, i computer quantistici operano allo stesso livello e la speranza è dunque quella di accorciare i tempi di calcolo a un livello tale da poter eseguire le simulazioni nel mondo reale e in maniera tale da renderle utili allo sviluppo di nuove molecole e di nuovi materiali.

Alla ricerca delle onde gravitazionali con i computer quantistici

Gideon Koekoek, assistente professore presso l'Università di Maastricht, spiega come sta usando i computer quantistici per individuare le onde gravitazionali: "quello che abbiamo scoperto qualche anno fa è che Einstein aveva ragione: la collisione di buchi neri e stelle di neutroni produce onde gravitazionali che viaggiano nel tempo e nello spazio e che ora possiamo misurare. Ma le equazioni che dobbiamo risolvere sono estremamente difficili, così come è difficile trovarle nei dati che raccogliamo."

Per individuarle meglio è in costruzione il telescopio Einstein, un rilevatore molto più sensibile rispetto a quelli attualmente a disposizione della comunità scientifica. La speranza è quella di ottenere più dati e, quindi, di riuscire a comprendere meglio come avvengono questi fenomeni cosmici.

Trovare delle collisioni è però un'impresa che ricorda la proverbiale ricerca dell'ago in un pagliaio. "Se hai due buchi neri che collidono, come potrebbero apparire le onde gravitazionali? Vengono descritte da un'equazione, però poi bisogna trovarla nei dati. Per farlo si usa una tecnica chiamata matched filtering [filtraggio tramite corrispondenze, NdR]: si provano tutte le possibili combinazioni di massa, velocità di rotazione e tutte le altre proprietà e si fanno tentativi sperando di trovare una corrispondenza. Ma questo metodo è molto dispendioso: ci vuole molto tempo per trovare le onde nei dati. E la situazione peggiorerà con l'arrivo di nuovi strumenti: i telescopi di prossima generazione saranno diverse centinaia di volte più sensibili di quelli che abbiamo ora."

L'impatto dell'arrivo di nuovi telescopi sulla mole di dati disponibili è tangibile: "il risultato è che calcoli che ora richiedono un paio di mesi richiederanno centinaia se non migliaia di anni [con i computer tradizionali]. Il problema che speriamo di risolvere con i computer quantistici di IBM è il seguente: come possiamo accelerare la ricerca delle onde gravitazionali in questa enorme quantità di dati che ci aspettiamo di avere tra 15 anni, quando il telescopio Einstein entrerà in funzione?"

L'orizzonte sembra lontano, perché quindici anni sono molti, ma è più vicino di quanto si pensi: il problema è arrivare pronti quando il telescopio entrerà in funzione, così da poterlo sfruttare sin da subito. Le tecniche per l'analisi dei dati richiedono infatti anni di lavoro per essere sviluppate e devono spesso anticipare l'evoluzione dell'hardware su cui dovranno essere eseguite.

Alberto Di Meglio, responsabile dell'Iniziativa per i Computer Quantistici del CERN, ricorda come la ricerca scientifica sia uno sforzo multi-generazionale che deve guardare al futuro: "il CERN deve guardare ai prossimi venti, trenta, quarant'anni. Dobbiamo iniziare ora a creare le conoscenze per la prossima generazione di ricercatori, perché loro possano usare questi strumenti in futuro." Di Meglio sta coordinando gli sforzi di ricerca per l'uso dei computer quantistici nella fisica delle alte particelle: afferma che attualmente il CERN li sta impiegando per lavorare sul bosone di Higgs.

Riel aggiunge anche un punto di vista interessante riguardo la ricerca in ambito aziendale: "in linea di principio i problemi si possono risolvere anche con una lavagna e un gessetto, ma avere l'hardware quantistico funzionante fa una grossa differenza perché si possono condurre prove sugli algoritmi e notare, ad esempio, che ci sono problemi perché non si è tenuto conto degli errori presenti nel sistema. Al momento le soluzioni che si possono trovare sono più che altro quelle dei modelli, ma una volta che si conoscono gli algoritmi si ha un vantaggio per il futuro, si è più avanti rispetto alla concorrenza. Si hanno le conoscenze per capire per quali problemi si possono applicare gli algoritmi trovati, si sa quali problemi sono maggiormente critici e per quali si possono utilizzare i computer quantistici, perché non si possono usare per tutti i problemi. Iniziare ora significa avere un grande vantaggio in termini di know how."

Per quanto possano sembrare problemi distanti e con un impatto limitato sulla nostra quotidianità, è bene ricordare che queste ricerche sono di particolare importanza perché permettono di sviluppare metodi e tecnologie utili anche in altri campi: le tecnologie sviluppate per analizzare alcune fotografie scattate dal telescopio spaziale Hubble, ad esempio, si sono poi rivelate utili per analizzare le mammografie e individuare i tumori in fasi precoci, così da salvare molte vite.

E la speranza con i computer quantistici è che possano accelerare la scoperta di nuovi materiali e che possano portare a sviluppare nuove tecniche di analisi dei dati che abbiano un impatto reale e tangibile sulle nostre vite: farmaci che curino meglio e con meno effetti collaterali, batterie per mezzi elettrici più capienti e meno inquinanti da produrre, fertilizzanti più efficaci e con effetti sull'ambiente meno pesanti. Al momento parliamo di speranze ma, come diceva Riel, si stanno ponendo ora le basi del futuro: è bene che siano solide, cosicché possano aiutarci a superare le grandi sfide che ci attendono.