Lo Stato Attuale del Calcolo Quantistico

Il Calcolo Quantistico è Diverso

Quantum computing è l’idea di utilizzare la fisica quantistica per eseguire calcoli, il che differisce dai metodi di calcolo basati sui semiconduttori tradizionali. Invece di generare 0 e 1 (assenza o presenza di corrente), utilizza i “bit quantistici”, chiamati qubit, dove i dati della particella sono contemporaneamente 0 E 1, oppure 1, oppure 0.

A causa della differenza fondamentale nel modo di calcolare, il calcolo quantistico non è tanto un’alternativa al calcolo “normale” quanto un complemento.

Il calcolo standard funziona in modo lineare e fatica con calcoli molto complessi, come la modellazione climatica, la crittografia o la configurazione 3D di molecole complesse come le proteine. Ed è proprio questo tipo di calcolo in cui ci si aspetta che il calcolo quantistico eccella.

Quindi, mentre i nostri laptop e smartphone probabilmente non diventeranno mai computer quantistici, potrebbero rivoluzionare la ricerca scientifica.

Il Calcolo Quantistico è Difficile

Quindi, con la promessa che i supercomputer quantistici saranno mille volte più performanti rispetto a quelli attuali, non è sorprendente che siano state condotte numerose ricerche per renderli una realtà.

Ma il problema è che creare anche un solo qubit è tecnicamente molto difficile. La prima difficoltà è che il calcolo quantistico funziona solo a temperature ultra‑basse, circa un centinaio di gradi sopra lo zero assoluto. Solo in queste condizioni alcuni materiali unici diventano superconduttori (materiali senza resistenza elettrica). Questo richiede molta energia, è costoso e difficile da realizzare.

Inoltre, gestire il controllo, la manipolazione e la “lettura” dei dati in un qubit è altrettanto complesso, solitamente coinvolgendo laser ultra‑precisi, microscopi atomici e sensori. Infine, qualsiasi interferenza rende il qubit inutilizzabile, quindi è necessario ottenere anche un vuoto perfetto.

Mentre i chip a semiconduttore manipolano la materia a scale di pochi atomi, il calcolo quantistico mira a gestire la materia a livello di particella. In particolare, un computer quantistico pratico richiederà migliaia di qubit per rimanere stabile e interagire tra loro.

Il Calcolo Quantistico Progredisce

Superare la Soglia dei 1.000 Qubit

Un team guidato dal Professor Gerhard Birkl del gruppo di ricerca “Atoms – Photons – Quanta” del Dipartimento di Fisica della TU Darmstadt in Germania ha appena creato il più grande computer quantistico finora.

Hanno creato un computer quantistico con 1.000 qubit atomici controllabili individualmente, vincendo una gara nel settore contro molti altri team scientifici.

Fonte: Optica

Il traguardo dei 1.000 è parzialmente simbolico ma anche intorno al numero ritenuto necessario per applicazioni significative dei computer quantistici. Meno di questo, sono per lo più una curiosità scientifica e un’idea promettente, ma non molto altro.

La tecnica utilizza i “optical tweezers”, ovvero laser speciali in grado di manipolare gli atomi individualmente. Grazie ai progressi nella micro‑ottica, questa è la tecnica più promettente nel calcolo quantistico per un metodo scalabile per costruire sistemi molto più grandi.

Fonte: Optica

“Poiché il numero di microlenti per centimetro quadrato raggiunge facilmente 100.000 e i wafer MLA con aree di diverse centinaia di centimetri quadrati possono essere prodotti, hanno un enorme potenziale in termini di scalabilità, limitato solo dalla potenza laser disponibile”.

Perfettando l’uso di questi optical tweezers, il Prof. Birkl ha dimostrato che è possibile realizzare grandi computer quantistici, con migliaia di qubit. Questo, a sua volta, fornirà lo strumento essenziale di cui hanno bisogno altri ricercatori per eseguire calcoli quantistici.

Simulatori Quantistici per Risolvere la Fisica

Molti problemi con cui gli fisici lottano oggi sono legati al comportamento delle particelle a scala quantistica, o almeno quando si simulano più di 30 particelle. Questo è un problema poiché i sistemi di calcolo ordinari faticano a gestire il comportamento probabilistico delle particelle e della fisica quantistica in generale.

Per risolvere questo problema, la situazione ideale sarebbe sviluppare un “simulatore quantistico” in cui i qubit possano simulare il comportamento delle particelle quantistiche. Questo perché i qubit sfruttano le proprietà quantistiche dell’entanglement e della superposizione, che sono gli aspetti più difficili da simulare in un computer normale.

Mentre i simulatori quantistici sono essenzialmente un tipo speciale di computer quantistico, finora il problema è stato renderli capaci di simulare molte diverse particelle invece di dover progettare su misura un simulatore quantistico per ogni specifica domanda fisica.

Natalia Chepiga e il suo gruppo di ricerca, assistente professore presso la Delft University of Technology nei Paesi Bassi, potrebbe aver trovato una soluzione.

Propone un protocollo che crea un simulatore quantistico completamente controllabile in un articolo pubblicato su Physical Review Letters. Questo funziona utilizzando due laser con frequenze o colori diversi, aggiungendo una dimensione extra al calcolo. Teoricamente, questo metodo potrebbe essere esteso per aggiungere più di 2 dimensioni al calcolo del simulatore quantistico.

Fonte: TU Delft

Questo tipo di simulatore quantistico potrebbe rappresentare una spinta importante in numerosi sforzi di ricerca ai confini della nostra conoscenza attuale, includendo la fisica ultra‑fredda (inclusi i superconduttori), i semiconduttori, le scienze dei materiali, le telecomunicazioni e le tecnologie energetiche (in particolare le batterie).

QuDits al posto dei Qubit

La maggior parte dei progetti di calcolo quantistico è incentrata sui qubit, cercando di renderli più facili da manipolare/programmare e di aggiungerne di più. Un’alternativa è l’uso di cifre quantistiche, o “qudit”.

“Un computer quantistico con x qubit può eseguire 2^x calcoli. Tuttavia, una macchina con x qudit, con D che rappresenta il numero di stati per qudit, può eseguire D^x calcoli.

Ciò significa che è possibile codificare le stesse informazioni in meno particelle quantistiche usando i qudit,”

Martin Ringbauer, un fisico quantistico presso l’Università di Innsbruck in Austria in IEEE Spectrum

In termini più semplici, più D dimensioni ha un sistema di calcolo quantistico, più diventa esponenzialmente potente. Oltre a questo calcolo più efficiente usando i qudit invece dei qubit, ci si aspetta che siano più affidabili e meno soggetti a errori di calcolo rispetto ai qubit.

Quindi è una grande notizia che un team di ricercatori guidato da Andrea Morello all’UNSW in Australia abbia creato un sistema di calcolo qudit a 16 dimensioni, altamente controllabile. Con D=16, qualsiasi quantità di qudit aggiunta al sistema aumenta la capacità di calcolo di una potenza 16.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato un atomo donatore di 123Sb (antimonio), impiantato ionicamente in un dispositivo nanoelettronico al silicio.

“Lo spazio di Hilbert combinato dell’atomo si estende su 16 dimensioni e può essere accessibile usando sia campi di controllo elettrici che magnetici. Andrea Morello”

Questo sistema ha ottenuto risultati notevoli; in particolare, “lo spin nucleare mostra già una fedeltà di porta superiore al 99% indipendentemente dal meccanismo di pilotaggio”. L’atomo di antimonio è anche un miglioramento rispetto al 31P (fosforo) precedentemente usato, poiché l’antimonio è un atomo più pesante e più facile da manipolare.

Questo risultato tecnico e scientifico continua a migliorare, in particolare usando 28Si (silicio) isotopicamente purificato, rimuovendo la concentrazione residua di 29Si e migliorando l’affidabilità del sistema (tempi di coerenza e fedeltà delle porte).

Stato dello Sviluppo del Calcolo Quantistico

Il campo è ancora nelle sue fasi embrionali, con nuovi concetti che emergono, come i qudit utilizzabili o i simulatori quantistici programmabili.

Combinato con i progressi nella creazione di sistemi con più di 1.000 qubit, ciò dimostra che il calcolo quantistico sarà probabilmente un campo scientifico molto importante nei prossimi decenni, con un enorme potenziale ancora inesplorato.

Attualmente, la ricerca in scienza dei materiali o biochimica è potenziata dall’IA, qualcosa di cui abbiamo discusso nel nostro articolo “Industrie dirompenti che si uniscono attorno a una tecnologia centrale – Intelligenza Artificiale (IA).”

Ma presto, nei prossimi 5‑10 anni, potremmo iniziare a vedere risultati pratici dei calcoli quantistici. L’hardware sta ora passando da esperimenti teorici e dimostrazioni di laboratorio a prototipi di computer di ricerca commerciali.

Il prossimo passo sarà sviluppare software che possa massimizzare il potenziale del calcolo quantistico — e iniziare a produrre computer quantistici su larga scala per ridurre i costi e fornire una certa standardizzazione.

Quindi, in molti modi, il calcolo quantistico si trova nella fase in cui i primi mainframe commerciali comparivano negli anni ’50 e ’60, prima di diventare uno strumento comune per le imprese e la ricerca nei decenni successivi.

Applicazioni del Calcolo Quantistico

Sebbene sia difficile prevedere con precisione, sappiamo già alcuni settori che trarranno grandi benefici dalla diffusione più ampia del calcolo quantistico:

• Modellazione biochimica: dalla determinazione della forma 3D di una proteina all’espressione genica, il calcolo di molecole biologiche complesse fino agli atomi potrebbe rivoluzionare la ricerca biotecnologica.
• Modellazione climatica: i modelli climatici sono estremamente complessi e spingono al limite le capacità dei supercomputer attuali. Una migliore comprensione del clima, con una scala di calcolo più fine sia geograficamente sia temporalmente, potrebbe aiutare a comprendere i rischi del cambiamento climatico.
• Semiconduttori: i computer quantistici potrebbero essere usati per rendere i chip informatici normali molto più potenti. Con i chip “normali” che ora raggiungono la scala nanometrica, i fenomeni quantistici diventano sempre più problematici, e i computer quantistici potrebbero essere necessari per risolverli.
• Scienza dei materiali: comprendere meglio la fisica quantistica e la reazione dei materiali fino ai singoli atomi può aprire nuove progettazioni per materiali usati in aerospazio, batterie, stampa 3D, manifattura, ecc.
• Crittografia: i computer quantistici potrebbero potenzialmente rendere obsoleti tutti i metodi di crittografia attuali. Questo è una seria preoccupazione per sistemi militari, finanziari e IT. Ma allo stesso tempo, potrebbe rendere la crittografia ancora più sicura.

Azioni del Calcolo Quantistico

1. International Business Machines Corporation

IBM Grafico dei prezzi

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) è stata la forza trainante dietro la commercializzazione del primo computer mainframe. Tuttavia, è rimasta indietro rispetto ad altri giganti tecnologici come Apple (AAPL ), TSMC e NVIDIA.

È, tuttavia, in prima linea nello sviluppo dei computer quantistici. Per esempio, ha sviluppato il suo computer quantistico “Eagle” da 127 qubit, seguito da un sistema da 433 qubit noto come “Osprey”.

E ora è seguito da “Condor”, un processore quantistico superconduttivo da 1.121 qubit basato sulla tecnologia del gate a cross‑resonance, insieme a “Heron”, un processore quantistico ai confini del settore.

Infine, IBM ha rilasciato Qiskit 1.0 a febbraio 2024, il più popolare SDK per il calcolo quantistico, con miglioramenti nella costruzione dei circuiti, nei tempi di compilazione e nel consumo di memoria rispetto alle versioni precedenti.

Guardando al futuro, IBM ha già annunciato il suo prossimo grande obiettivo in previsione del fatto che i suoi chip quantistici attuali “supereranno” l’infrastruttura attualmente utilizzata. Questo obiettivo è noto come “IBM Quantum System Two”; un sistema modulare che ha il potenziale di supportare fino a 16.632 qubit.

La forza di IBM è sempre stata, fin dalla sua nascita, lo sviluppo di supercomputer ultra‑potenti, un segmento di mercato oscurato dall’ascesa dell’elettronica di consumo e dei chip standardizzati. L’emergere del calcolo quantistico è un’occasione per IBM di brillare nuovamente e diventare leader in questo importante segmento emergente del calcolo per la ricerca scientifica e le esigenze informatiche delle grandi aziende.

2. Microsoft Corporation

Già leader nei servizi cloud “normali”, Microsoft (MSFT ) è un pioniere nell’offrire servizi cloud per il calcolo quantistico con Azure Quantum. È del tutto possibile che la maggior parte del calcolo quantistico in futuro sarà svolta da ricercatori “remotamente”, facendo affidamento su servizi cloud come quello di Microsoft, invece di accedere direttamente al proprio computer quantistico.

Ciò è particolarmente probabile poiché, in definitiva, la maggior parte delle applicazioni del calcolo quantistico sarà ricercata da biochimici, esperti di scienza dei materiali, climatologi e altri specialisti senza un background specifico nel calcolo quantistico. Pertanto, affidarsi a professionisti dedicati che lavorano in aziende come IBM, Microsoft o Google per gestire la parte di calcolo ha più senso rispetto all’assumere o formare persone estranee al settore.

Il servizio può anche offrire “computazione ibrida”, che combina il calcolo quantistico con il tradizionale servizio di supercomputer basato su cloud.

Fonte: Microsoft

Invece di un’integrazione verticale, l’approccio di Microsoft al calcolo quantistico è stato quello di stabilire partnership con leader del settore che coprono praticamente tutte le tecnologie possibili per realizzare il calcolo quantistico, come IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), e Rigetti (RGTI).

Fonte: Microsoft

Il calcolo quantistico non è centrale per il business di Microsoft, almeno per ora. Tuttavia è un attore centrale del settore e potrebbe rappresentare una scelta azionaria “più sicura” rispetto all’acquisto diretto di azioni dei suoi partner nel calcolo quantistico quotati in borsa, come QCI o Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google è molto attiva nel calcolo quantistico, principalmente attraverso il suo laboratorio Google Quantum AI e il campus Quantum AI a Santa Barbara.

Il computer quantistico di Google ha fatto la storia nel 2019 quando Google ha dichiarato di aver raggiunto la “supremazia quantistica” con la sua macchina Sycamore, eseguendo un calcolo in 200 secondi che un supercomputer convenzionale avrebbe impiegato 10.000 anni.

Ma forse il più grande contributo di Google sarà nel software, un’attività in cui ha un curriculum molto migliore rispetto all’hardware (ricerca, G Suite, Android, ecc.). Già, il Quantum AI di Google mette a disposizione una suite di software progettata per assistere gli scienziati nello sviluppo di algoritmi quantistici.

Google potrebbe essere una delle aziende che stabiliranno gli standard del software e della programmazione del calcolo quantistico, dando un ruolo privilegiato nella direzione in cui il settore si evolverà in futuro.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum è il risultato della fusione tra Honeywell Quantum Solutions e Cambridge Quantum (e, come menzionato, un partner del cloud quantistico di Microsoft).

Quantinuum sembra, per ora, concentrarsi su segmenti meno esplorati da altri sistemi di calcolo quantistico, in particolare analisi finanziarie e legate alla catena di approvvigionamento, attraverso il suo motore Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), lanciato a settembre 2023.

“QMCI si applica a problemi che non hanno una soluzione analitica, come la valutazione di derivati finanziari o la simulazione dei risultati di esperimenti di fisica delle particelle ad alta energia, e promette progressi computazionali in ambiti come il business, l’energia, la logistica della catena di approvvigionamento e altri settori.”

Come per Microsoft, il calcolo quantistico non è la parte centrale del business di Honeywell, più focalizzato su prodotti nell’aerospazio, automazione e chimica e materiali speciali.

Tuttavia, considerando che ognuno di questi segmenti di business potrebbe beneficiare del calcolo quantistico, non è difficile vedere il caso commerciale per Honeywell di coinvolgersi.

Quindi questo rende Honeywell sia un fornitore di servizi di calcolo quantistico sia una delle aziende che potrebbe beneficiare dell’applicazione dei computer quantistici a casi aziendali reali, qualcosa che l’integrazione di Quantinuum nel gruppo dovrebbe favorire più rapidamente rispetto ai concorrenti industriali.

5. Intel

Intel (INTC ) è un importante produttore di chip e sembra mirare a sfruttare questa forza nel settore del calcolo quantistico.

Di recente ha rilasciato “Tunnel Falls”, il “chip a spin di silicio più avanzato”. Ciò che è notevole è che non si tratta di un prototipo, ma di un chip prodotto su scala, con un tasso di resa del 95% su tutto il wafer e uniformità di tensione. Questo apre la strada alla produzione di massa di chip per il calcolo quantistico, qualcosa finora sfuggente in un settore nascente e in rapida evoluzione.

Fonte: Intel

Fedele alle sue radici, Intel sta anche sviluppando il software per utilizzare i suoi chip, con il rilascio del Intel Quantum SDK. Questo fornisce linee guida per gli sviluppatori per creare software per il calcolo quantistico compatibile con il design dei chip quantistici Intel, che storicamente è stato un forte e redditizio vantaggio competitivo per il business dei chip tradizionali di Intel.

Fonte: Intel

L’arrivo della produzione scalabile di chip quantistici potrebbe essere rivoluzionario per l’industria quanto qualsiasi altra scoperta scientifica più tecnica, riducendo i costi e stabilendo standard di programmazione comuni e architetture di chip.

Intel è un’azienda che, dall’esperienza, conosce quanto possa essere una forza potente nell’industria informatica, continuando a sfruttare le proprie innovazioni e i brevetti associati dagli anni ’60 in poi.

6. Defiance Quantum ETF

Il settore del calcolo quantistico è ancora molto giovane. Finora è stato per lo più dominato da grandi corporation tecnologiche con risorse sufficienti per finanziare miliardi di dollari in questo tipo di ricerca fondamentale.

Tuttavia, molte altre piccole aziende sono attive nel settore, alcune in partnership con questi giganti per distribuire la loro tecnologia.

Può essere un compito piuttosto difficile per gli investitori non specialisti comprendere la complessità delle diverse tecnologie di calcolo quantistico, e ancora più difficile indovinare quali avranno successo commerciale.

Quindi, mentre l’investimento diretto in piccole startup di calcolo quantistico è un’opzione, un’alternativa è affidarsi a un ETF per ottenere esposizione al settore diversificando a costi inferiori.

Il Defiance Quantum ETF contiene 69 diverse azioni legate al calcolo quantistico nel suo portafoglio, inclusi sviluppatori di computer e chip quantistici, nonché fornitori di sistemi di raffreddamento, laser, software e altre tecnologie utilizzate nei computer quantistici o nella produzione di chip quantistici.

Fonte: Defiance ETF

In questo settore in rapida evoluzione, la maggior parte degli investitori, anche quelli familiari con l’industria dei semiconduttori, probabilmente beneficerà di un certo grado di diversificazione. Questo può essere ottenuto sia scommettendo su giganti tecnologici individuali che fanno le scelte di partnership giuste, sia con un ampio ventaglio di azioni, cosa spesso più efficacemente realizzata tramite un ETF dedicato.