La rivoluzione della computazione quantistica sta emergendo come una delle frontiere più affascinanti e promettenti della scienza e della tecnologia contemporanea. I computer quantistici, con la loro capacità di sfruttare i principi della meccanica quantistica per eseguire calcoli complessi, promettono in teoria di superare di gran lunga le prestazioni dei supercomputer tradizionali in alcuni campi di significativo interesse per la ricerca accademica ed industriale.
Nella letteratura scientifica esistono diverse dimostrazioni matematiche di come algoritmi quantistici possano eseguire calcoli complessi in maniera relativamente semplice, a patto di avere a disposizione un computer quantistico sufficientemente potente.
Limiti attuali dei computer quantistici
Tuttavia, la maturità tecnologica dei computer quantistici attualmente disponibili sul mercato non permette di sfruttare appieno i più potenti algoritmi quantistici scoperti finora. Questi algoritmi richiedono macchine con migliaia di qubits e una precisione nelle operazioni di calcolo molto alta.
Oggi, i computer quantistici sul mercato, noti come NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) computers, non hanno un numero sufficiente di qubits e non soddisfano le richieste dei maggiori algoritmi in termini di precisione. Tuttavia, esistono altri algoritmi quantistici che possono essere implementati su computer quantistici NISQ, a patto però che essi siano in grado di comunicare e lavorare in sinergia con i computer classici.
Integrazione di computer quantistici e supercomputer
La comunità scientifica ritiene che per massimizzare il potenziale degli attuali computer NISQ sia cruciale integrarli con i supercomputer classici, creando sistemi ibridi capaci di eseguire complessi algoritmi sfruttando sia la potenza dell’High Performance Computing sia l’accelerazione fornita dai computer quantistici.
La combinazione di computer quantistici e supercomputer classici offre vantaggi significativi. I supercomputer classici sono estremamente potenti per calcoli numerici e la gestione di grandi quantità di dati, ma incontrano limiti quando si tratta di risolvere problemi di natura quantistica o altamente complessa, come la simulazione di molecole, la crittografia avanzata e l’ottimizzazione di sistemi su larga scala. I computer quantistici, d’altro canto, possono affrontare questi problemi in modo più efficiente grazie alla loro capacità di rappresentare ed elaborare informazioni in stati quantistici sovrapposti e correlati.
I vantaggi dell’integrazione tra le due tecnologie
Integrare le due tecnologie significa creare una sinergia dove i supercomputer classici gestiscono l’organizzazione dei dati e l’esecuzione di operazioni tradizionali, mentre i computer quantistici si occupano dei compiti che sfruttano il parallelismo quantistico. Questo approccio ibrido consente di risolvere problemi complessi in tempi molto più ridotti e con una precisione superiore rispetto a quanto sarebbe possibile con uno solo dei due sistemi.
Iniziative e progetti in corso
In Italia, il CINECA, uno dei più importanti centri di calcolo al mondo, sta muovendo i primi passi verso l’integrazione della tecnologia quantistica con i supercomputer classici. Il supercomputer Leonardo, uno dei più potenti in Europa, sarà presto dotato di due computer quantistici basati su diverse tecnologie di realizzazione dei qubits. Questa mossa strategica punta a posizionare l’Italia all’avanguardia nella ricerca e nello sviluppo di soluzioni di calcolo ibrido, permettendo al CINECA e alla comunità scientifica italiana ed europea di esplorare nuove frontiere nella scienza dei materiali, nella fisica, nella chimica e in altri settori chiave.
L’integrazione di questi computer quantistici con Leonardo non solo migliorerà le capacità di calcolo offerte dalle macchine HPC di CINECA, ma fornirà anche una piattaforma per testare e sviluppare nuove applicazioni quantistiche, accelerando il progresso scientifico e tecnologico in Europa.
Il progetto HPCQS (High Performance Computing and Quantum Simulator)
Un esempio rilevante di integrazione quantistica è il progetto HPCQS (High Performance Computing and Quantum Simulator), che vede la collaborazione di molti centri di calcolo europei, tra cui lo stesso CINECA. In questo progetto, partito nel 2021, due simulatori analogici basati su atomi neutri prodotti dalla start-up francese Pasqal vengono integrati con due supercomputer localizzati in Germania e in Francia, precisamente nei centri di supercalcolo di Jülich e GENCI. Questi simulatori analogici consentono di eseguire simulazioni quantistiche estremamente precise, soprattutto nel campo della chimica e della fisica computazionale, migliorando le capacità di calcolo dei supercomputer classici e aprendo la strada a nuove scoperte scientifiche.
obiettivi del progetto hpcqs
L’obiettivo del progetto HPCQS è creare una piattaforma di calcolo ibrida che combini il meglio delle due tecnologie, sfruttando le potenzialità uniche dei computer quantistici per affrontare problemi complessi che sono al di là della portata dei supercomputer tradizionali. Inoltre, si punta a fornire agli utenti europei un’interfaccia di calcolo simile a quella già utilizzata per i supercomputer, permettendo loro di sfruttare le nuove risorse quantistiche senza difficoltà.
Importanza della collaborazione internazionale
Anche a livello globale, l’integrazione di computer quantistici con supercomputer classici sta guadagnando terreno. In Giappone, il centro di calcolo nazionale RIKEN, possessore di Fugaku, uno dei supercomputer più potenti al mondo, sta collaborando con IBM per integrare uno dei loro processori quantistici, il “Heron“, in grado di gestire fino a 133 qubits. Questa collaborazione mira a sfruttare la potenza di calcolo di Fugaku per operazioni di pre-elaborazione e post-elaborazione, mentre il processore quantistico di IBM si occuperà dei calcoli quantistici più complessi.
L’iniziativa della EuroHPC Joint Undertaking
In Europa, l’iniziativa della EuroHPC Joint Undertaking (JU) sta svolgendo un ruolo fondamentale nella promozione dell’integrazione dei computer quantistici negli ambienti HPC. Con un bando uscito a marzo del 2022, la EuroHPC JU ha selezionato Francia, Spagna, Germania, Italia, Repubblica Ceca e Polonia come prime “hosting entities” per ospitare computer quantistici europei. Questa iniziativa mira a creare una rete europea di calcolo quantistico, integrando le capacità dei supercomputer con quelle dei nuovi computer quantistici installati in questi paesi.
Questa infrastruttura di calcolo distribuita consentirà di affrontare alcune delle sfide più difficili della nostra epoca, dalle previsioni climatiche alla ricerca medica, dalla sicurezza informatica all’ottimizzazione industriale.
Inoltre, fornirà una piattaforma per la collaborazione tra istituzioni di ricerca, università e industria, accelerando l’innovazione e lo sviluppo tecnologico in Europa. Sarà dato ampio risalto alla ricerca scientifica sulle applicazioni dei diversi tipi di computer quantistici disponibili, permettendo di migliorare e influenzare le roadmap tecnologiche dei fornitori di tecnologia grazie ai feedback della comunità scientifica europea.
Il futuro della computazione ad alte prestazioni
Il futuro della computazione ad alte prestazioni passa per i computer quantistici. L’integrazione dei computer quantistici con i supercomputer classici rappresenta un passo fondamentale verso la realizzazione di una nuova era di calcolo. I supercomputer attuali faticano sempre più ad aumentare la propria potenza di calcolo come avveniva in passato. Negli anni ’80 si diceva che la potenza di calcolo dei supercomputer raddoppiasse ogni 18 mesi (la famosa “legge di Moore”). Tuttavia, problemi tecnologici, tra cui l’eccessiva miniaturizzazione dei transistor e la conseguente gestione degli effetti quantistici, hanno fatto sì che questa legge perdesse significato. Oggi, l’aumento della potenza di calcolo dei supercomputer non è più legato alla potenza delle singole CPU o al loro numero, ma allo sfruttamento di dispositivi esterni che accelerano specifici tipi di calcolo (computazione eterogenea). Attualmente, gli acceleratori di calcolo più diffusi sono le GPU, ma presto anche le QPU (computer quantistici) verranno utilizzate dai supercomputer come acceleratori.
Attraverso la collaborazione internazionale e l’innovazione tecnologica, centri come il CINECA e iniziative come il progetto HPCQS stanno aprendo la strada a nuove scoperte scientifiche e applicazioni pratiche che trasformeranno la nostra società. Con l’avvento di computer quantistici sempre più potenti e la loro integrazione con supercomputer di ultima generazione, possiamo aspettarci progressi significativi in molti campi della scienza e della tecnologia. L’impegno di paesi come Italia, Francia, Germania, Giappone e altri dimostra che il futuro della computazione è una priorità globale, con l’obiettivo comune di affrontare le sfide più complesse del nostro tempo e migliorare la vita delle persone in tutto il mondo.
