Quantum supremacy: l’era delle tecnologie quantistiche. Cosa sono e perché le useremo?

05.04.2021 – 09.30 – È a partire dal Novecento che si può iniziare a parlare a tutti gli effetti di una prima, vera e propria rivoluzione quantistica. La comprensione delle proprietà quantistiche della materia, sviluppate nella prima parte del secolo, ha infatti portato successivamente alla realizzazione di tecnologie innovative quali il transistor e il laser; di fatto, tutti gli odierni dispositivi elettronici che conosciamo utilizzano queste nuove tecnologie.
A oggi, la capacità di controllare e manipolare ancora più nel dettaglio le proprietà quantistiche della materia ha permesso di aprire la strada a quella che viene definita la seconda rivoluzione quantistica, la quale si sviluppa su quattro domini principali.

Computer quantistici: grazie alle peculiari correlazioni quantistiche che prendono il nome di entanglement, un computer quantistico spalanca nuovi e più ampi orizzonti nell’ambito della computazione, essendo in grado di eseguire alcune operazioni molto più velocemente rispetto a un normale computer classico. Una significativa innovazione, che vede la sua applicazione nei più disparati ambiti: dalla chimica alla genomica, fino allo studio dei materiali, dei modelli finanziari e dei problemi di ottimizzazione.

Comunicazione quantisticala meccanica quantistica offre la possibilità di generare chiavi crittografiche (es. nella messaggistica, la sequenza di numeri che permette di trasformare un messaggio originale in un messaggio apparentemente privo di significato) a distanza in maniera intrinsecamente sicura. Questo rappresenta un vero e proprio balzo in avanti nell’ambito della Cybersecurity, in quanto permette di elevare significativamente gli standard di sicurezza rispetto agli attuali sistemi classici di crittografia che possono essere invece violati, per l’appunto, da un computer quantistico.

Sensori quantisticise si considera che gli stati quantistici della materia sono estremamente sensibili ai rumori ambientali, questo significa che i sistemi quantistici sono in grado di misurare piccole forze e brevi distanze, intervalli di tempo e rotazioni, aprendo la strada a sviluppi rivoluzionari in campo metrologico. L’applicazione anche in questo caso comprende molteplici settori, dalla navigazione alla gravimetria, fino all’osservazione terrestre, il monitoraggio climatico e la sincronizzazione.

Simulatori quantisticisi tratta di sistemi quantistici altamente controllabili in laboratorio, in grado di simulare specifiche proprietà di sistemi complessi (ad esempio le molecole), non completamente accessibili a un computer tradizionale. La loro applicazione pratica va da ambiti quali la chimica, la fisica nucleare, fino alla scienza dei materiali, la fluido-meccanica, ma anche ai problemi di ottimizzazione.

Lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, proprio in virtù della loro possibile applicazione a più o meno qualsiasi ambito, rappresenta un grosso balzo in avanti in termini di progresso scientifico e tecnologico per l’umanità intera: non a caso, ad oggi, le più grandi aziende informatiche (Alibaba, Google, IBM, Intel, Microsoft, Honeywell), stanno investendo proprio in questa direzione. Al contempo, è in forte crescita il numero di startup innovative (Alpine Quantum Technologies, Pasqal e Muquans in Europa per citarne alcune), che sono già state in grado di generare importanti risultati in tal senso.

A riprova di ciò, gli investimenti a livello mondiale nella ricerca e nello sviluppo delle tecnologie quantistiche sono enormi: nel 2018 è partita la Quantum Technology (QT) Flagship, che vede un finanziamento da parte dell’Unione europea pari a un miliardo di euro. Parallelamente, oltreoceano, gli Stati Uniti hanno finanziato con oltre un miliardo di dollari la National Quantum Initiative. Ma ingenti investimenti sono stati messi in atto anche da parte dei singoli paesi: oltre un miliardo per quanto riguarda l’India, e centinaia di milioni nel caso di Regno Unito, Russia, Germania; anche la Cina ha messo in campo significativi investimenti di miliardi di euro. Non è esente dalla lista l’Italia, che ha identificato le tecnologie quantistiche quali una delle aree chiave e strategiche di ricerca.

Inevitabilmente, molte di queste tecnologie avranno però costi elevatissimi, e man mano che proseguono le scoperte e gli sviluppi della ricerca nel campo, si sta via via andando a profilare una divisione del mondo che vede da un lato paesi che possederanno queste tecnologie e, dall’altro, paesi che ne saranno privi, con un conseguente e rilevante disequilibrio in termini di sicurezza e di sviluppo economico, a vantaggio dei primi, e a svantaggio dei secondi.

di Angelo Bassi

[Angelo Bassi: è scienziato di riferimento a livello internazionale nel campo dei fondamenti della meccanica quantistica, dal 2006 è docente presso il Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Trieste. Autore di oltre 100 pubblicazioni su riviste internazionali, coordina il network europeo QTSpace: Quantum Technologies in Space e il progetto di ricerca internazionale TEQ: Testing the Large-scale limit of Quantum Mechanics.]