Pronti al cambiamento di paradigma dell’informatica? L’Italia è ancora indietro sulla strada del quantum computer, ma ha competenze tali che la potrebbe trasformare nel leader europeo dell’informatica quantistica. Con vantaggi enormi per lo sviluppo industriale e dunque economico. Il quantum computing è una rivoluzione per l’informatica: non più sequenze di 0 e 1 ma i principi della meccanica quantistica applicati alla computazione. Riuscendo quindi ad affrontare e risolvere problemi che l’informatica tradizionale non è in grado di approcciare.
Ma servono esperti (e dunque formazione), una chiara politica industriale su questa nuova tecnologia e molti investimenti in tempi rapidi. A queste conclusioni, arriva il white paper “Il Quantum Computing a supporto della trasformazione digitale italiana”, realizzato da Anitec-Assinform (l’Associazione Italiana per l’Information and Communication Technology aderente a Confindustria e guidata dal presidente Marco Gay), in collaborazione con Cnr e con la collaborazione di Eustema, Ibm, Insiel, Italtel, Keylon, Leonardo, Lutech, Tim. Ne diamo conto in questo articolo, facendoci aiutare anche nella guida dalle parole del coordinatore del paper, Federico Mattei, che è anche quantum business developer in Ibm, una delle aziende che ha più investito in questa tecnologia. Tanto da aver annunciato nel corso del G7 di Hiroshima, lo scorso maggio, un investimento da 100 milioni di dollari nell’arco di 10 anni per realizzare, in partnership con le università di Tokyo e di Chicago, un supercomputer quantistico da 100mila Qubit. L’obiettivo è «affrontare alcuni dei problemi più urgenti del mondo che anche i supercomputer più avanzati di oggi potrebbero non essere in grado di risolvere», così Ibm il giorno dell’annuncio.
Cos’è il calcolo quantistico e perché è un cambiamento di paradigma: le premesse del white paper di Anitec
Di quali problemi si parla? Gli esempi sono quelli che riporta il white paper: la protezione del nostro ecosistema e la lotta alle malattie gravi e incurabili. «Per simulare la struttura chimica di nuovi farmaci e sviluppare materiali in grado di catturare il carbonio e ridurre l’inquinamento su scala globale… serve una tecnologia informatica fondamentalmente diversa da quella che sfrutta la logica binaria». E qui viene in soccorso l’informatica quantistica, che non è un’evoluzione di quella tradizione, ma una vera rivoluzione.
Proviamo a capire perché spiegando cos’è il quantum computing. I computer in uso quotidianamente effettuano calcoli usando sequenze di 0 e 1. «È come se al loro interno ci fossero degli esserini, i bit, che possono dire solo Sì o No. Combinando lunghe serie di Sì e No questi esserini pronunciano lunghi discorsi che sono i programmi e le applicazioni che usiamo tutti giorni», leggiamo nel report di Anitec. L’informatica quantistica supera questo approccio e applica i principi della meccanica quantistica al bit informatico: l’unità di calcolo dei computer quantistici diventa dunque il qubit. I qubit possono essere messi in uno stato di sovrapposizione, «una sorta di “forse digitale” che permette al qubit di rimanere indeciso tra il Sì e il No fin quando non vado a leggerlo. Poiché esistono infiniti gradi di indecisione (50% sì e 50% no, 30% sì e 70% no e così via), la sovrapposizione dei qubit fornisce maggiore espressività e permette di gestire informazioni più ricche di quelle dei bit tradizionali. I qubit possono essere inoltre messi tra loro in entanglement: cioè una stretta correlazione tra i loro comportamenti, indipendente dalla distanza».
IBM Quantum System Two è il primo elaboratore quantistico modulare e totalmente customizzabile
Queste due proprietà della meccanica quantistica che usano i qubit (sovrapposizione ed entanglement) permetteranno di codificare in essi programmi con gradi di complessità molto elevati. Aggiungere un qubit al processore quantistico vuol dire, infatti, poter aggiungere correlazioni dirette con tutti gli altri qubit già presenti; un po’ come nel problema del commesso viaggiatore aggiungere una città vole dire aggiungere nuovi collegamenti con tutte le altre, o come nella simulazione di una molecola aggiungere un elettrone aumenta il numero di interazioni con gli elementi già presenti.
Le applicazioni del quantum computer all’industria, grazie alle tre abilità chiave: simulazione, ottimizzazione, classificazione
Quali sono le implicazioni industriali del quantum computing e cosa si può fare oggi con questa tecnologia? «Essenzialmente, ci sono tre cose che possiamo fare oggi con il quantum computing – dice Mattei – La prima è la simulazione di scenari e comportamenti di sistemi complessi, come la struttura di nuove molecole per l’industria farmaceutica, che ha un grande potenziale anche in settori come la prototipizzazione. La seconda abilità è l’ottimizzazione, ovvero la ricerca della soluzione ottimale tra diverse possibilità, utile ad esempio nella logistica e nell’aerospazio. Infine, il quantum computing può essere utilizzato per il riconoscimento e la classificazione, ad esempio nelle attività antifrode o nel marketing».
Nei prossimi anni, i modelli chimici e l’ingegneria dei materiali, l’intelligenza artificiale, i modelli di rischio delle aziende, i calcoli finanziari e le simulazioni numeriche di ingegneria potrebbero tutti trarre beneficio dall’informatica quantistica rendendo possibili operazioni che per ragioni di capacità di memoria o di tempo di esecuzione non possono essere condotte da macchine classiche, consentendo di raggiungere accuratezza nei risultati al di fuori della portata attuale.
Risolvere con precisioni problemi che prima si potevano solo approssimare
«Il quantum computing – spiega Mattei – permette di risolvere problemi che altrimenti dovremmo approssimare. In alcuni ambiti, questo può portare a una maggiore precisione, ad esempio nel calcolo del rischio di portafoglio per un’azienda finanziaria o nella logistica per le consegne. Inoltre, il quantum computing può consentire di esplorare nuovi ambiti per lo studio di nuovi materiali o la ricerca nel campo farmaceutico, in cui in passato si erano costretti a fare approssimazioni. Ampliare gli orizzonti di ciò che è calcolabile potrebbe dare un vantaggio competitivo fondamentale a tutte queste industrie».
I computer quantistici potranno essere usati per migliorare i modelli di previsione in meteorologia, rendere più efficienti i processi produttivi riducendo gli sprechi, aiutare a identificare nuovi materiali e nuove reazioni chimiche che riducano l’impatto ambientale. Più in dettaglio, come descritto nel White Paper di Anitec-Assinform i settori impattati da questa tecnologia sono:
- Fintech: miglioramento dei processi decisionali per l’analisi del rischio, l’ottimizzazione del portafoglio investimenti e il contrasto alle frodi.
- Energy: predizione di consumi, produzione da fonti rinnovabili, distribuzione dell’energia su smart grid.
- Farmaceutica-Medicina-Scienza dei materiali: simulazione e test di molecole complesse, interazioni fra farmaci e target per ridurre il costo di nuovi farmaci e vaccini.
- Trasporti: ottimizzazione della logistica.
- Manifatturiero: ottimizzazione processi produttivi e logistica.
- Fluidodinamica complessa: studi sui cambiamenti climatici e inquinamento.
- Cybersecurity: crittografia sicura, fattorizzazione quantistica, comunicazioni sicure.
- Blockchain: sicurezza algoritmi, cifratura.
L’impatto sui settori: sanità, industria, oil&gas, chimica
Il white paper passa in rassegna i principali ambiti di applicazione della computazione quantistica, evidenziando come siano trasversali a diversi settori industriali e quale valore aggiuntivo questa tecnologia potrà generare per ciascuno di questi.
- L’analisi dei processi fisici e chimici in particolare nei campi della chimica quantistica, scienza dei materiali e fisica delle alte energie.
- La simulazione di scenari con applicazioni in molti ambiti quali quello finanziario, geologico e il settore delle previsioni metereologiche.
- I processi di ottimizzazione che sono trasversali ad ogni ambito produttivo: dall’ottimizzazione delle rotte commerciali alla supply chain, dalla distribuzione della rete elettrica all’ottimizzazione di un portafoglio finanziario, dal dimensionamento ottimo di una rete di telecomunicazioni all’ottimizzazione nell’allocazione delle risorse nei data center, nella gestione del traffico dati e, in generale, dei consumi energetici di rete.
- Gli algoritmi di intelligenza artificiale e in particolare nell’ambito del deep learning, i cui modelli prevedono milioni di parametri che richiedono settimane o mesi per il loro addestramento. Il quantum AI si pone, infatti, l’obiettivo di superare i limiti attuali dei computer tradizionali, offrendo performance anche migliori di quelle ottenute con le tradizionali Cpu e le moderne Gpu.
Se parliamo di valore, la possibilità di simulare la natura può generare un valore compreso tra 160 e 330 miliardi di dollari: che si traduce per la manifattura in un valore aggiuntivo tra 20 e 30 miliardi e fino a 50 miliardi per la chimica tra 20 e 25 per l’automotive e tra 20 e 40 per l’aerospazio. L’analisi quantistica dei dati vale tra i 150 e i 220 miliardi: 10 miliardi per l’automotive, tra i 20 e i 30 per la finanza, fino a 100 miliardi per gli ads ottimizzati. E le applicazioni diverse valgono tra 100 e 220 miliardi con impatti rilevantissimi per la logistica (100 miliardi) e per l’aerospazio (fino a 50 miliardi).
Le sfide sottese alla rivoluzione dell’informatica: la ricerca sul qubit, la creazione di competenze e l’applicazione sul campo
L’impatto di questa tecnologia è distruptive, ma le sfide sottesi sono altrettanto enormi. Perché la tecnologia è ancora in uno stadio embrionale di sviluppo innanzitutto: si sta ancora facendo ricerca su 7 tipologie di qubit alternativi per individuare la tecnologia vincente. È un tema rilevante perché le imprese fanno fatica a vedere il valore commerciale di un investimento in questo ambito, ma è un grosso rischio di per sé, perché se non si sale ora sul carro della ricerca, si perde l’occasione di sfruttarne gli sviluppi futuri.
«Le sfide sono diverse – prosegue Mattei – La prima è lo sviluppo dell’hardware, che richiede uno sforzo a livello europeo e italiano per individuare la tecnologia migliore tra le sette attualmente in sperimentazione. Il secondo ambito riguarda lo sviluppo di linguaggi di programmazione specifici per il quantum computing, poiché non è immediato passare da un programmatore tradizionale a uno quantistico. È necessario acquisire nuove competenze. Come per passare dalla guida di un’auto a quella di un aereo: servono abilità profondamente diverse. Infine, è importante studiare l’applicazione dell’utilizzo dei computer quantistici nella ricerca e nel business».
Le aziende italiane: quasi del tutto ignare della rivoluzione in corso. E manca una politica industriale sufficientemente aggressiva
Ma qual è lo status quo delle aziende italiane rispetto al quantum computing? Quanto sono consapevoli della necessità di esplorare questo ambito di ricerca? «Le grandi aziende hanno sentito parlare del quantum computing, ma poche persone al loro interno hanno competenze specifiche in materia. Le piccole e medie imprese sono ancora indietro. Questo tema è difficile perché richiede competenze tecnologiche specifiche. Inoltre, non ha ancora raggiunto la maturità per essere utilizzato in produzione, quindi non è considerato una tematica di ricerca. Questo rende molto difficile il processo decisionale. Per cogliere le potenzialità e prepararsi al quantum computing, è necessario avere un management che sia in grado di andare oltre il ritorno sugli investimenti (Roi)». Ma è un tema anche di sistema, ci sono Paesi che hanno dedicato piani specifici alle Pmi nel campo del quantum computing: «Ad esempio, la Germania ha investito oltre 2 miliardi di euro, la Francia 1,8 miliardi di euro e il Regno Unito 1 miliardo di euro – dice Mattei – In Italia, al momento i finanziamenti provengono principalmente dal Pnrr (Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza), che comprende anche il settore Hpc (High-Performance Computing) insieme al quantum computing. È previsto che la quota destinata al quantum computing sia di circa 200 milioni di euro. Una cifra irrisoria rispetto a quella degli altri, senza considerare che altri paesi si sono mossi prima di noi e siamo un po’ indietro».
Il possibile vantaggio competitivo per l’industria italiana e per il sistema Paese
Un peccato perché in Italia abbiamo una buona ricerca in campo hardware, con gruppi che, su tutto il territorio nazionale lavorano su diverse tecnologie utili allo sviluppo del quantum computing, nonché sullo studio del software. «Il ritardo che abbiamo rispetto ad altri paesi e all’Europa in generale è principalmente legato a due fattori. Il primo è la mancanza di una strategia chiara sull’utilizzo del quantum computing nelle industrie. Il secondo è la mancanza di un piano di investimenti verticali specifici per il settore. Pertanto, se vogliamo raggiungere il livello del resto del mondo, è necessario sviluppare una tecnologia quantistica italiana e creare un ecosistema di università e istituti di ricerca in tutto il paese che siano in grado di svilupparla su tutti i fronti, compresi i qubit. È importante avere sia ricerca pura che ricerca applicata, in modo da poter competere a livello internazionale e creare connessioni con il resto del mondo. Inoltre, la collaborazione con le università è fondamentale per accelerare il processo di sviluppo delle competenze necessarie nel settore. Un esempio di collaborazione è quello di Intesa Sanpaolo, che ha iniziato a utilizzare le risorse quantistiche disponibili online e ha collaborato con l’Università di Torino su vari casi di utilizzo».
Attualmente, in Italia esistono alcune iniziative per promuovere lo sviluppo del quantum computing. Uno di questi è il Centro Nazionale Hpc Quantum, che si concentra sulla computazione quantistica. «Tuttavia, rispetto alle mosse che si stanno facendo in altri paesi, potrebbe essere considerato ancora un po’ leggero. È importante avere chiarezza sulla strategia nazionale e sull’ambito specifico in cui si intende investire, in quanto le tecnologie quantistiche comprendono un universo di tecnologie, tra cui la comunicazione quantistica, la sicurezza quantistica, lo sviluppo di hardware e l’elaborazione di algoritmi. Inoltre, è necessario sviluppare competenze e collaborare strettamente con le università per accelerare il processo di sviluppo e applicazione del quantum computing».
Ci sono diversi macro ambiti in cui l’Italia può ottenere vantaggi significativi dall’utilizzo del quantum computing. «Uno di questi è la simulazione di sistemi naturali, come la chimica, che può essere utile nello studio di nuovi materiali o reazioni che generano maggiore efficienza in processi produttivi. Ad esempio, l’azienda Mercedes sta lavorando dal 2017 per studiare i fenomeni che avvengono all’interno delle batterie elettriche per le auto elettriche. Un altro ambito riguarda gli algoritmi di intelligenza artificiale (IA). Alcuni calcoli utilizzati nell’addestramento dei modelli IA e negli algoritmi di classificazione possono beneficiare dei computer quantistici. Questi ambiti hanno un impatto sia nel marketing, per la segmentazione di una popolazione di clienti, sia nella gestione delle anomalie di produzione attraverso sensori, ma anche in ambito transazionale come l’analisi delle frodi. Infine, l’ottimizzazione è un aspetto chiave in tutte le industrie, ad esempio nella gestione della supply chain o nel taglio delle materie prime, dove l’utilizzo del quantum computing può ridurre gli sprechi».
I professionisti del quantum computing: scienziati, ingegneri e sviluppatori quantum, categorie completamente assenti
La carenza maggiore a cui rimediare è nella disponibilità di professionisti. Professionisti che di fatto non esistono ancora. Parliamo, specifica il white paper, di quantum scientist, quantum engineer e quantum developer. Il quantum scientist è un esperto di teoria e tecnologia quantistica. Ed è «una figura determinante sia per affrontare problemi fondamentali, come la mitigazione del rumore e il design di dispositivi e algoritmi efficaci, sia nei settori verticali di applicazione, lì dove è richiesta una conoscenza robusta dei modelli e metodi computazionali basati sulla meccanica quantistica». L’ingegnere quantistico è, invece, un esperto della tecnologia, sia dal punto di vista informatico che dal punto di vista dell’ottimizzazione hardware, ed è in grado di configurare e progettare soluzioni valide ed efficienti per problemi specifici.
Infine, il quantum developer è l’equivalente di un programmatore di sistemi o di uno sviluppatore di applicazioni. Dobbiamo partire da zero per la formazione di queste figure.
Una strategia per il quantum computing: la ricetta di Anitec Assinform
Ma in generale, anche se la strada è lunga e complessa, il report di Anitec Assinform indica le linee guida da seguire per realizzare gli interventi decisivi.
La prima azioni è il completamento della missione 4 del Pnrr, in un contesto «di pieno scambio di competenze tra università e impresa con l’ipotesi di creare dei centri di competenza dedicati alle tecnologie più all’avanguardia». Il passo successivo è realizzare piani didattici delle facoltà Stem, che accolgano contenuti che consentano la creazione dei suddetti profili.
È necessario, proseguono gli autori del paper «creare sinergie stabili tra pubblico e privato in grado di coniugare “ab initio” gli aspetti scientifici e metodologici del quantum computing con gli aspetti applicativi di interesse industriale».
Ci sono in atto iniziative volte a favorire tale collaborazione e vanno potenziate. In particolare, il riferimento è al pacchetto di investimenti in ricerca e sviluppo sul quantum computing, della Commissione Europea, stanziato sia nel pubblico che nel privato, per portare l’intera Unione a un livello di maturità tecnologica al pari di altri partner internazionali. Il Centro Nazionale Hpc, attraverso Cineca ha sottoposto una richiesta di finanziamento alla JV europea High Performance Computing Joint Undertaking (Euro HPC JU) per cofinanziare un Quantum Computer da installare sul suolo italiano. Alla fine del 2022 sono stati selezionati sei siti in Repubblica Ceca, Germania, Spagna, Francia, Italia e Polonia che ospiteranno i primi computer quantistici europei e che dovranno vedere la luce nella seconda metà del 2023.
Le iniziative italiane per rendere il paese una Quantum Nation
Esiste poi un progetto per dotare l’Italia di una rete di supercomputer a mezzo del consorzio guidato dall’Infn, l’Istituto nazionale di fisica nucleare, con Cineca e IIT-Istituto italiano di tecnologia in una cordata che comprende centri di ricerca, tra cui appunto Infn, che ne è capofila, e 15 grandi partner industriali (tra i quali figurano anche Autostrade, FS, Engineering, ThalesAlenia, Fincantieri, Terna, Sogei, Humanitas, Upmc, Fiu, iFab, Intesa Sanpaolo e Unipol Sai) nell’ambito del bando Pnrr del Miur, relativo alla creazione di cinque centri nazionali dedicati alla ricerca di frontiera in ambito “digitale” che afferiscono ai settori mobilità, agritech, medicina, biodiversità e supercalcolo”.
In conclusione, affinché la computazione quantistica diventi nel breve periodo uno strumento efficace per la risoluzione di problemi complessi sia in ambito scientifico che industriale, «non si può prescindere dal pianificare e realizzare iniziative di sistema volte alla formazione e allo sviluppo di nuove competenze in questo settore».
Inoltre, la scommessa sullo sviluppo di un ecosistema pubblico-privato, che veda il coinvolgimento non solo degli attori che sviluppano tecnologie ma anche dei grandi utenti professionali nazionali e del mondo bancario, dovrà essere quel valore aggiunto in grado di garantire, “by design”, una ricaduta reale sul sistema Paese per competere a livello internazionale.
«Il 2023 – avvertono gli autori del paper di Anitec – diventa quindi una reale e severa deadline entro cui l’Italia può diventare pronta ad utilizzare la computazione quantistica: è una sfida che riguarda tutti – università, istituzioni, imprese, centri di ricerca, startup e giovani –e sarà più semplice da vincere se affrontata assieme».
