Per dare compimento alle attività di ricerca nell'ambito del quantum computing, con l'obiettivo di mettere a disposizione della comunità della ricerca internazionale le competenze acquisite, Cineca ha dato vita al Quantum Computing Lab. Tra le prime iniziative, il lancio dei bandi che mettono a disposizione dei ricercatori le più avanzate risorse per il quantum computing disponibili.
Il quantum computing è uno degli ambiti di sviluppo della tecnologia più affascinanti del nostro tempo: nel QC i bit (le unità di informazione che codificano i due stati, 1/0, di un interruttore) sono sostituite dai cosiddetti qubit: oggetti complessi, per esempio particelle subatomiche come fotoni o elettroni, che sfruttano alcune proprietà della fisica quantistica, che possono immagazzinare molte più informazioni dei bit, quindi potenzialmente molto più potenti e performanti degli attuali sistemi in uso.
Come funziona il quantum computing
La fisica quantistica richiama concetti complessi, che vengono spiegati al pubblico utilizzando il Paradosso del gatto di Schrödinger, che può essere contemporaneamente sia vivo sia morto (Wikipedia) Le proprietà sfruttate dai sistemi di calcolo quantistico vanno dal principio di sovrapposizione, che consente di superare il dualismo acceso/spento e di veicolare molta più informazione (una particella quantistica può rappresentare contemporaneamente più stati), all' "entanglement", che pone in relazione due particelle anche molto distanti fra loro, secondo un meccanismo descritto da Einstein ma ancora non compreso completamente.
Quantum computing al Cineca
Cineca si occupa di quantum computing dal 2018, e oggi mette a disposizione della comunità scientifica e della ricerca le proprie competenze, tramite il Quantum computing Lab, l'Osservatorio Tecnologico , l'accesso alle risorse di quantum computing.
Il Laboratorio sul Quantum Computing
Il QCLab è dedicato allo studio e all’utilizzo del quantum computing per il calcolo e l’elaborazione delle informazioni, con l'obiettivo di studiarne e valutarne l'avanzamento e di favorire l’incontro e lo scambio tra esperti e utenti, anche nel contesto industriale. Inoltre, Laboratorio si occuperà di testare le potenzialità dei dispositivi quantistici che si renderanno via via disponibili, attraverso lo sviluppo di algoritmi in diversi ambiti di applicazione: come problemi di ottimizzazione, simulazioni chimiche e Machine Learning. Infine, il QCLab svilupperà protocolli ibridi in cui il quantum computing sarà strumento di supporto e acceleratore per i supercalcolatori.
L'accesso alle risorse
L'accesso alle risorse di quantum computing è disponibile alla comunità scientifica dal primo marzo 2021, sia con le stesse modalità adottate per l'accesso alle risorse di supecalcolo, ovvero tramite la sottomissione di progetti e la valutazione dei progetti sottomessi tramite peer review, sia in fase "sperimentale".
In particolare, sarà possibile accedere a:
- Risorse di quantum annealing, il cui utilizzo è possibile grazie ai recenti accordi di collaborazione tra Cineca e l’azienda leader nel settore D-WAVE, che mette a disposizione della comunità scientifica italiana ore calcolo sia sul nuovo calcolatore D-WAVE, Advantage, che monta una QPU di oltre 5000 qubits, sia sulle macchine ibride D-WAVE, moderni supercalcolatori che combinano la potenza dei quantum annealer con le risorse HPC. Maggiori informazioni su D-wave.
- Risorse di quantum computing sulle macchine Pasqal, uno spin-off dell’Institut d’Optique (IOGS) francese, che da anni si occupa di studiare problemi di fisica, in particolare many-body problems intrattabili con le attuali risorse HPC disponibili a livello mondiale. e che prima al mondo ha sviluppato un prototipo di computer quantistico con tecnologia neutral atom, nel 2011. Le università e ai centri di ricerca italiani potranno testare uno o due progetti di alta rilevanza scientifica e interesse applicativo. (Le domande dovranno pervenire entro il 15 marzo 2021). Maggiori informazioni su Pasqal.
- Risorse HPC per emulazione di ambienti di quantum computing: potendo contare sulle imponenti risorse di Marconi100 per l'emulazione del QC, è stato impostato un nuovo profilo, per l'accesso al supercomputer, denominato profile/quantum. Gli utenti Cineca interessati potranno utilizzare una serie di emulatori preinstallati.
L'osservatorio Quantum Computing
L'Osservatorio Tecnologico è dedicato alle aziende che desiderano conoscere la tecnologia del quantum computing, avere maggiori informazioni sui trend di evoluzione e applicazione, sulle opportunità e sui cambiamenti che questa tecnologia sta portando e potrà portare in diversi ambiti industriali.
Il quantum computing nel contesto internazionale
Oggi, grandi aziende come Google, IBM, Microsoft, ma anche start-up appositamente nate come D-Wave Pasqal o Rigetti, stanno investendo ingenti risorse per costruire computer quantistici sempre più potenti. L'interesse della comunità mondiale è molto alto sul tema: la Commissione Europea (così come altre entità governative nel mondo) sta seguendo con interesse l'evoluzione delle ricerche.
È del 2018 il lancio della Quantum Flagship Initiative, programma di ricerca decennale finanziato con oltre un miliardo di euro, che vede il coinvolgimento di tutti gli Stati Membri al fine di creare un network europeo nell'ambito del quantum computing. Il progetto ha l'obiettivo di occuparsi della nuova tecnologia sotto diversi aspetti: dalla valutazione all'utilizzo. L'iniziativa è basata sul Quantum Manifesto, ovvero il white paper realizzato dalla comunità della ricerca internazionale, e che identifica 5 aree di ricerca “Quantum” da approfondire: Communication, Computation, Simulation, Metrology e Basic Science.
Nel contesto dell'iniziativa, l'Italia è stata rappresentata da CNR e Ministero dell'Università e della Ricerca che hanno investito circa 1.5 milione euro per la costituzione del consorzio ERANet QuantERA, che raggruppa oltre 25 enti nazionali.
Tra i progetti finanziati dal programma Horizon 2020 e EuroHPC, Cineca partecipa a “Pilot on Quantum Simulators”, che ha l'obiettivo di sviluppare un’infrastruttura europea di simulazione quantistica di circa 100 unità tra loro interconnesse, accessibili tramite cloud. Mettendo a disposizione dei ricercatori europei diverse piattaforme di calcolo quantistico, il progetto intende consentire loro di familiarizzare con queste tecnologie, per arrivare a sviluppare un'ecosistema di ambienti di programmazione e librerie di applicazioni quantistiche.
Tra le ricerche in corso sul quantum computing, sono state avviate anche delle sperimentazioni per sconfiggere le pandemie, come il coronavirus.
Il quantum computing e la comunità scientifica
Le principali ricerche in ambito quantum computing sono presentate ogni anno nel corso dei workshop organizzati da Cineca, e raccolgono diverse esperienze nazionali e internazionali in questo ambito, l'obiettivo dei workshop è quello di condividere l'avanzamento delle ricerche di tutta la comunità scientifica.
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La prima Edizione, nel 2018, del workshop “High Performance Computing and Quantum Computing” è stata organizzata per condividere assieme agli attori del settore, potenzialità e prospettive di questa tecnologia emergente. Fin da subito state coinvolte sia università e istituti di ricerca sia esponenti di aziende, per creare un'occasione di condivisione tra tutti gli ambiti di applicazione.
- La seconda Edizione, nel 2019, sempre conl’obiettivo di riunire ricercatori e professionisti interessati alla tecnologia quantistica e alle prospettive future del settore, ha affrontato diversi punti di vista disciplinari (fisica, teoria dell’informazione, matematica, ingegneria, scienze dei dati), e aziendali (tecnologia quantistica, tecnologia dell’informazione, consulenza, energia).
- La terza Edizione, nel 2020, oltre alla partecipazione di università e centri di ricerca ha ampliato la partecipazione di esponenti di alcune tra le più importanti aziende multinazionali (IBM, Amazon, Atos, Intel, General Electric) e di quantum computing companies (D-Wave, Pasqal, Xanadu e Zapata).
Il quantum computing e la divulgazione
Le presentazioni del quantum computing al pubblico organizzate da Cineca riscuotono sempre molto interesse.
Come la partecipazione nell'area formativa nell'ambito del WMF 2020.
La presentazione di Daniele Ottaviani Il computer quantistico: dalla visione alla realtà ha fornito una panoramica del calcolo quantistico: nel secolo scorso vennero scoperte le leggi della meccanica quantistica. La loro applicazione ha originato quella che oggi chiamiamo "prima rivoluzione quantistica", che ha donato all'umanità tecnologie come laser, transistor e GPS. Oggi siamo alle porte di una "seconda rivoluzione quantistica": in particolare, stanno nascendo nuovi computer in grado di sfruttare queste leggi per aumentare il proprio potere di calcolo. In questo talk racconteremo l’evoluzione dei computer quantistici.
Riccardo Mengoni ha presentato le Applicazioni Del Computer Quantistico: I computer quantistici rappresentano un paradigma fondamentalmente nuovo per l'elaborazione delle informazioni. In un futuro non troppo lontano essi potrebbero giocare un ruolo essenziale nell'approccio a problemi di grande interesse per l'umanità intera in settori come cybersecurity, scienza dei materiali, farmaceutica, machine learning ed ottimizzazione.
Nel contesto della Notte Europea dei Ricercatori sono stati organizzati due incontri, nell'ambito degli aperitivi scientifici e dei dibattiti scientifici.
Elisa Ercolessi dell'Università di Bologna e Daniele Ottaviani del Cineca, con Gianluca Dotti (divulgatore scientifico) sono stati i protagonisti dell'aperitivo scientifico The quantum impact, durante il quale si sono confrontati sul tema delle tecnologie quantistiche per capire come cambieranno la nostra vita, perché con la crittografia quantistica i nostri soldi sono più al sicuro, perché con un quantum computer si risolvono i problemi del traffico e si migliora la velocità delle comunicazioni con il teletrasporto quantistico.
Raffaele Tripiccione, professore di fisica teorica all’Università di Ferrara, Daniele Ottaviani, matematico di formazione e specializzato nel calcolo HPC, sviluppatore Quantum/HPC nel team di quantum computing del CINECA, Daniele Bonacorsi, professore di Fisica Sperimentale al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna, lavora in collaborazione con l’INFN e con il CERN di Ginevra, hanno animato il dibattito scientifico Quantum computing: la ricerca del futuro?, durante il quale hanno affrontato diversi aspetti del quantum computing, un tema che da un lato stimola facilmente l’immaginario di un lettore, e dall’altro è molto complesso da comprendere nella sua profonda natura scientifico-tecnologica, così come nelle possibili implicazioni che ricerche di questo tipo possono avere non solo sulla scienza ma anche e soprattutto sulla società del futuro.
