La nuova corsa allo Spazio: i computer quantistici. Ne parliamo con Simone Severini di AWS
di Riccardo Robecchi pubblicata il 29 Gennaio 2025, alle 12:41 nel canale Innovazione![La nuova corsa allo Spazio: i computer quantistici. Ne parliamo con Simone Severini di AWS](/i/n/Amazon_processore_quantistico_720.jpg)
Abbiamo avuto occasione di parlare con Simone Severini, che dirige la divisione che si occupa di computer quantistici in Amazon, per capire meglio come l'azienda si stia muovendo in questo campo nascente
Una nuova corsa allo spazio. Un'opportunità d'oro per aziende e Paesi. Un impulso significativo alla ricerca scientifica, in particolare nella fisica di base. Tutto questo e tanto altro è il calcolo quantistico oggigiorno. Abbiamo avuto occasione di incontrare Simone Severini, che è stato tra i cofondatori di Cambridge Quantum Computing (confluita poi in Quantinuum) ed è ora direttore della divisione dedicata al calcolo quantistico di Amazon. Con Severini abbiamo parlato di calcolo quantistico e del suo sviluppo in AWS e oltre.
I computer quantistici: una nuova corsa allo Spazio
Tutto il mondo si sta sforzando di trovare una soluzione per arrivare al primo computer quantistico in grado di produrre risultati concreti per applicazioni reali: nuovi farmaci, nuovi catalizzatori per le reazioni chimiche industriali, nuovi materiali, nuovi strumenti per la logistica. Sul piatto c'è anche la possibilità di rompere i cifrari a chiave pubblica usati attualmente, fatto che ha già portato all'approvazione dei primi cifrari post-quantistici.
Non sono solo i laboratori di ricerca pubblici a fare ricerca in questo campo, ma sono anche (e, in questa fase, forse soprattutto) le aziende private che stanno dedicando moltissimi fondi ed energie in quest'impresa. Anche Amazon ha la sua attività di ricerca nel mondo dei computer quantistici, tanto che nel 2021 aveva aperto un edificio presso la sede dell'università Caltech, in California, dove fare ricerca congiunta sui computer quantistici.
A capo della divisione che si occupa di computer quantistici in AWS c'è l'italiano Simone Severini, che dal 2017 la dirige. È Severini che ha sovrinteso alla creazione di Braket, il servizio di AWS che mette a disposizione accesso in cloud ai computer quantistici di diversi produttori: ci sono, ad esempio, quelli di Rigetti, IonQ e D-Wave.
"Ci sono tanti modi diversi per costruire i computer quantistici e non è chiarissimo quale emergerà come macchina che creerà valore, magari prima delle altre. Parlando di un'opinione personale, mi piace guardare la computazione quantistica oggi un po' come il programma spaziale di John Fitzgerald Kennedy, in cui l'obiettivo era andare sulla Luna; ovviamente eravamo in una fase di guerra fredda e c'erano ragioni per studiare l'ingegneria spaziale, così come oggi ci sono ragioni per studiare il calcolo ad alte prestazioni", dice Severini (in foto qui sotto).
"Ma anche se l'obiettivo di quell'iniziativa era andare sulla Luna, moltissime cose sono state inventate lungo il percorso: le lampadine a LED e le tute ignifughe dei pompieri sono state inventate nel contesto del programma spaziale. Io credo che nella computazione quantistica ci sia una buona analogia, ovvero: studiando i materiali per costruire chip quantistici stiamo imparando magari cose di fisica che prima non consideravamo in maniera profonda. Stiamo imparando come costruire i frigoriferi [criogenici, NdR], stiamo imparando di più sulle proprietà della luce, stiamo imparando di più sulla trasmissione e comunicazione di informazioni in fibra ottica, stiamo imparando un sacco di cose diverse che quasi ci portano a interpretare la computazione quantistica come un'opportunità proprio per capire meglio la nostra interfaccia con la nanomeccania, con la fotonica, con la materia condensata e così via."
Un volano per la ricerca scientifica
I computer quantistici, quindi, stanno agendo da "traino" per la ricerca in altri ambiti. Ma non solo: per quanto possa apparire, per certi versi, paradossale, l'arrivo dei computer quantistici sta favorendo anche l'uso di tecniche "tradizionali". Severini ci spiega che capita spesso che aziende clienti chiedono soluzioni ad Amazon che usino i computer quantistici, ma finiscono per usare soluzioni classiche: "abbiamo un team che si chiama Advanced Solutions Lab che parla con i clienti e spesso le conversazioni cominciano con la computazione quantistica e finiscono in HPC e ottimizzazione tradizionale: il problema viene risolto con gli strumenti di ottimizzazione tradizionale, ma contemporanei, ovvero allo stato dell'arte, il che porta comunque un vantaggio rispetto a quello che l'azienda stava facendo prima, magari applicando un algoritmo di forza bruta al problema che stava cercando di risolvere."
Questo è un po' un tema ricorrente nel mondo del calcolo quantistico: il caso forse più eclatante è quello dell'annuncio da parte di Google del raggiungimento dell'agognata "supremazia quantistica", con calcoli che avrebbero richiesto 10.000 anni effettuati in tre minuti. Alcuni ricercatori hanno poi migliorato i metodi di calcolo classici, arrivando a effettuare lo stesso calcolo in 15 ore con 512 GPU NVIDIA Tesla V100; con la potenza di un supercomputer si potrebbe arrivare a pochi secondi. Tramite l'ottimizzazione, quindi, si sono ottenuti risultati migliori sia rispetto al metodo precedente, sia anche rispetto al computer quantistico, pur continuando a usare i computer classici.
Severini punta più volte l'attenzione sul fatto che i computer quantistici devono ancora "produrre valore": non si tratta di una considerazione da persona di business, perché non si sta parlando (solo) di valore in termini monetari, ma di valore inteso anche (e forse soprattutto) come risultati pratici che possono aiutare l'avanzamento delle scienze e, quindi, la nostra comprensione dell'Universo. Severini afferma più volte nella nostra conversazione che lui li vede proprio come strumento per la ricerca scientifica, in particolare per la fisica e la chimica. Newton disse "a me sembra soltanto di essere un bambino che gioca sulla spiaggia, e di essermi divertito a trovare ogni tanto un sasso o una conchiglia più bella del solito, mentre l'oceano della verità giaceva inesplorato davanti a me". I computer quantistici possono essere uno dei mezzi per esplorare tale oceano e gettarvi luce.
Quale strategia porterà prima a dei risultati?
Uno degli aspetti per certi versi sconcertanti del mondo dei computer quantistici è che le varie soluzioni alternative attualmente disponibili si basano su principi fisici completamente diversi tra di loro. Ci sono i chip superconduttori, le trappole ioniche, gli atomi di Rydberg (o "atomi neutri"), le imperfezioni nei diamanti, i dispositivi ottici... Orientarsi in questo maremagnumdi alternative è difficile, in paprrticolare perché ciascun approccio ha i suoi pro e i suoi contro.
Amazon ha annunciato che sta lavorando a un processore quantistico basato sui superconduttori e abbiamo chiesto a Severini il perché di questa scelta (che accomuna, per inciso, Amazon a Google e IBM). Il motivo sta nella velocità di clock, più elevata rispetto alle alternative, e nella facilità di scalare verso l'alto, oltre che nel fatto che le competenze necessarie alla fabbricazione sono molto simili a quelle necessarie per il mondo classico.
Uno dei problemi sta però proprio nel processo di produzione dei chip, perché ciascuno di essi è unico (Severini dice che nel suo team si parla di "fiocchi di neve", tanto ciascun chip è singolare). La fabbricazione infatti dev'essere estremamente precisa, proprio per via delle tolleranze estremamente ridotte che sono necessarie per fabbricare ciascun dispositivo in maniera tale da dargli quelle caratteristiche che gli consentono di operare calcoli quantistici.
La velocità di clock è un dato importante sotto due fronti: il primo è quello del vantaggio rispetto ai computer classici, che viene a mancare nel momento in cui le operazioni sono sì in numero minore, ma richiedono tempi molto lunghi per essere svolte; il secondo è quello della correzione degli errori, che diventa impossibile per via proprio della lunghezza delle operazioni.
Tra le alternative, Severini vede una possibilità per gli atomi di Rydberg: si tratta, con una semplificazione, di "quasi ioni", ovvero atomi in cui gli elettroni più esterni sono portati a uno stato tale per cui sono vicini alla fuga dal nucleo (ovvero alla ionizzazione). Tale stato fa sì che gli elettroni si comportino come previsto dai modelli classici, come quello di Bohr, e siano dunque molto più prevedibili nel loro comportamento. Secondo Severini, gli atomi di Rydberg arriveranno velocemente a quantitativi di qubit molto elevati: "non è assurdo pensare che nel giro di due anni ci saranno computer quantistici con atomi di Rydberg fino a 100.000 qubit. L'ostacolo da considerare sarà la velocità di clock e la correzione degli errori, però è probabile che in quell'ambito ci saranno applicazioni interessanti - anzi, lo spero."
Ci vorrà ancora del tempo perché Amazon offra i propri computer quantistici, ma tale momento non è forse così distante nel tempo. Per ora, l'azienda pubblica aggiornamenti costanti sulla propria pagina dedicata. La strada per arrivare a dispositivi in grado di effettuare calcoli davvero utili, invece, è ancora lunga e tortuosa e necessiterà di molti anni ancora per essere percorsa.
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