Realizzare un computer quantistico a Padova è da oggi concretamente possibile grazie all’imponente investimento del Bando World Class Research Infrastructure (WCRI) dell’Università di Padova.

Un cofinanziamento di 2,5 milioni di euro, a cui contribuiscono anche numerosi partner per una cifra totale di 4,565 milioni di euro, per l’acquisizione di infrastrutture di ricerca che hanno caratteristiche di eccellenza tali da costituire un punto di riferimento nel panorama internazionale. Il Dipartimento di Fisica e Astronomia (DFA) è capofila e coordinatore del progetto denominato Quantum Computing and Simulation Center (QCSC) al quale partecipano dieci Dipartimenti dell’Università di Padova, il centro interdipartimentale per le tecnologie quantistiche Padua QTech e un centro di Ateneo, oltre a una cordata di enti di ricerca, imprese private e istituzioni pubbliche locali, nazionali e internazionali di altissimo livello, come Cineca, INFN o Neat, a sottolineare la natura interdisciplinare del programma.

“Ci proponiamo – spiega Simone Montangero, del DFA e Principal Investigator del progetto QCSC - di realizzare il primo computer quantistico a ioni intrappolati di uso generale in Italia e creare attorno ad esso, assieme agli altri attori, un centro di competenza in grado di guidare lo sviluppo e l’inclusione delle tecnologie quantistiche nelle università italiane e nel settore business. La costruzione di un efficiente processore quantistico scalabile è una formidabile sfida tecnologica, si tratta di un cambio di paradigma che può portare a una potenza di calcolo senza precedenti e ad algoritmi che possono risolvere problemi complessi in modo molto più efficiente”.

Le principali applicazioni possono essere in settori cruciali come la sicurezza informatica, la privacy, la crittografia. In prospettiva si potranno avere inoltre applicazioni nel campo della medicina, nella ricerca di vaccini o nuovi farmaci, nell’analisi del genoma e dei big data, oltre che nella soluzione di equazioni differenziali per l’esecuzione di previsioni metereologiche, sociali o finanziare; dal machine learning al teletrasporto di informazioni.

“Avere accesso al nuovo paradigma informatico, sia in termini di know how, che in termini di disponibilità di un’infrastruttura informatica all’avanguardia – afferma Flavio Seno, Direttore del Dipartimento di Fisica e Astronomia UNIPD - darà un vantaggio competitivo per qualsiasi ambiente accademico, di ricerca e imprenditoriale. L’istituzione del QCSC avrà un forte impatto e renderà l’Università di Padova un attore chiave della seconda rivoluzione quantistica. Grazie a questo progetto saremo pronti a cogliere e sfruttare al meglio i benefici che ne possono derivare”.

Il QSCS è inoltre un candidato naturale a partecipare al Centro per L’High Performance Computing, i Big Data e il Calcolo quantistico previsto dal nuovo Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza. Inoltre, si pone l’obiettivo di diventare un centro di riferimento del tessuto industriale regionale e nazionale, per affrontare le future sfide rese possibili dall’avvento del calcolo quantistico e coadiuvare l’integrazione del calcolo quantistico con le risorse di supercalcolo classiche, ormai fondamentali in molti aspetti della filiera produttiva e tecnologica. A livello europeo il panorama è ancora più interessante, grazie al programma decennale Quantum Flagship di Horizon 2020, in cui anche Padova è coinvolta. Programmi su queste sfide comuni si stanno ora delineando anche fra UE e Usa e UE e Giappone. Partecipare a questi programmi renderà più visibile l’apporto italiano a livello internazionale. L’Ateneo ha già stanziato altri due milioni di Euro per realizzare un nuovo avveniristico laboratorio nei pressi del Dipartimento di fisica e astronomia che ospiterà il QSQC e che sarà a disposizione entro la fine del 2022.

“L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha sempre ritenuto che per i prossimi anni il calcolo quantistico sia una attività strategica e ha quindi ha sostenuto questo progetto fin da subito investendo nelle sue potenzialità e in particolare nelle applicazioni nel campo della Fisica fondamentale” conferma Antonio Zoccoli, presidente dell’INFN.

IL COMPUTER QUANTISTICO

L’idea del computer quantistico è nata nel 1982, quando R. Feynman propose di costruire un pc che funzionasse secondo le leggi della meccanica quantistica, sostituendo le leggi classiche che regolano il funzionamento di tutte le informazioni e comunicazioni tecnologiche che ci circondano (ICT). Le tecnologie quantistiche sostituiscono il classico bit (binario 0,1) con il qubit. Grazie a questo sono possibili nuove operazioni più complesse. Nel 2019 Google ha infatti annunciato di aver raggiunto la “supremazia quantistica”: un microprocessore che sfrutta i principi della meccanica quantistica è riuscito a compiere in pochi minuti un’operazione di calcolo per la quale anche il più grande supercomputer della NASA avrebbe impiegato 10.000 anni. Sebbene questo risultato sia stato poi contestato, insieme a nuovi risultati apparsi negli ultimi anni, dimostra come siamo alle soglie di una nuova rivoluzione tecnologica. Ad oggi, sono numerose le architetture candidate a diventare i futuri processori quantistici: materiali superconduttori, atomi di Rydberg e ioni intrappolati. Quest’ultima è l’architettura scelta per il pc di Padova, ma il centro di competenze sarà in grado di seguire tutte le ultime ricerche nel settore. La tecnologia a ioni intrappolati si basa sulla fisica dell’atomo e sulle proprietà degli ioni e dei loro orbitali. Gli ioni vengono intrappolati da campi elettromagnetici, chiamate trappole di Paul (Paul traps), dal fisico Wolfgang Paul che le inventò nel 1959 e per questo vinse il premio Nobel per la fisica nel 1989. Queste trappole elettromagnetiche riescono a creare una sorta di buca di potenziale in cui gli ioni vengono intrappolati. Tuttavia, siccome gli ioni hanno carica positiva, si repellono: per sistemarli in serie lungo la stessa linea è necessario usare delle accortezze che oggi rendono comunque possibile arrivare fino a 50 ioni sulla stessa linea. Sono questi ioni a costituire la base per i qubit del computer quantistico: quello di Padova dovrebbe averne almeno una ventina. Per definire il qubit, ovvero un sistema a due livelli che codifica l’informazione in 0 e 1, vengono utilizzati due orbitali dell’atomo (di calcio tipicamente). Con un laser si eccita l’atomo e il suo stato varia di conseguenza, ovvero un suo elettrone passa da un orbitale all’altro, portando il nostro bit atomico in uno stato di 0 o 1. La potenza del calcolo quantistico tuttavia si ottiene solo quando si sfruttano alcune proprietà quantistiche, come l’entanglement. Occorre quindi fare un passaggio ulteriore e accoppiare tra loro almeno due qubit. Grazie a uno stratagemma inventato per la prima volta da due fisici nel 1995, che sfrutta i moti di oscillazione degli ioni, è possibile costruire un gate a 2 qubit (il cosiddetto Cirac-Zoller gate), ovvero far parlare due qubit, per permettere l’operazione logica necessaria a tutto il calcolo quantistico. La misura dello stato del sistema, che poi costituisce la vera e propria operazione di calcolo quantistico, viene fatta mettendo in risonanza uno dei due livelli del qubit con un altro che decade molto velocemente. Quando un atomo eccitato decade emette un fotone, luce. Con delle telecamere apposite si vedono gli ioni emettere o non emettere luce e questo codifica l’informazione in stati di 0 e 1, acceso e spento. La tecnologia a ioni intrappolati presenta notevoli vantaggi, come tassi d’errore bassissimi e tempi di coerenza molto lunghi. Inoltre la tecnologia laser impiegata è matura da 50 anni.

I PARTNER

Al fine di supportare ogni aspetto delle attività sono stati coinvolti numerosi partner facendo leva sulle diverse competenze con l’obiettivo di un approccio complementare. I partner esterni dell'User Community: l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), il Centro Italiano di Supercalcolo CINECA, Università di Pavia (UNIPV), Università dell’Aquila (UnivAQ), Istituto di Trieste per la Teoria delle Tecnologie Quantistiche (TQT), il Quantum at Trento Laboratory (Q@TN), le società Arakne e NEAT, garantiscono che le attività abbiano un impatto a livello nazionale e internazionale. In particolare, l'INFN esplorerà le sinergie delle tecnologie quantistiche con le attività di fisica delle alte energie a livello nazionale e internazionale. I partner interni dell'User Community: Il Dipartimento di Fisica e Astronomia (DFA), il Dipartimento di Ingegneria dell’informazione (DEI), il Dipartimento di Scienze Chimiche (DISC) e quello di Matematica (DM) che insieme formano il centro interdipartimentale Padua QTech, formeranno il nucleo tecnico del progetto. Il Dipartimento di Biologia (DIB), il Dipartimento di Filosofia, Sociologia, Pedagogia e Psicologia Applicata (FISPPA), Dipartimento di Studi Linguistici e Letterari (DISLL), il Dipartimento dei Beni Culturali (DBC), il Dipartimento di Scienze Biomediche (DBS), il Dipartimento di Neuroscienze (DNS) e il Centro di Neuroscienze di Padova (PNC) esploreranno le potenziali applicazioni più avanzate del calcolo quantistico nei rispettivi campi di ricerca. Inoltre, il Dipartimento di Economia e Management (DSEA) sarà coinvolto nella gestione del centro.