Dalla costruzione di architetture ibride all'affrontare complesse questioni fondamentali, fisico quantistico Mauro Paternostro delinea il vasto potenziale offerto dal panorama della tecnologia quantistica
Siamo nel bel mezzo di un rinascimento quantistico, con i ricercatori del mondo accademico e dell’industria che gareggiano per “vincere” la corsa all’informatica quantistica. Il mercato quantistico è in forte espansione, con decine di aziende, grandi e piccole, che investono in questa tecnologia, sostenute da ingenti finanziamenti governativi in tutto il mondo.
Mauro Paternostro, fisico quantistico dell'Università di Palermo e della Queen's University di Belfast, è un esperto in elaborazione di informazioni quantistiche e tecnologia quantistica. Lavorando sulle basi dell'argomento, il suo team sta conducendo ricerche pionieristiche nell'optomeccanica delle cavità, nella comunicazione quantistica e altro ancora. È anche redattore capo della rivista IOP Publishing Scienza e tecnologia quantistica.
In questa intervista ad ampio raggio, Paternostro parla al Commissariato di Tushna delle sue opinioni sul panorama quantistico: dai “quattro pilastri” della tecnologia quantistica e delle architetture ibride al promettente matrimonio tra tecnologia quantistica e intelligenza artificiale (AI). Paternostro sottolinea inoltre la necessità di continui finanziamenti governativi per realizzare il vero potenziale di questa tecnologia in grado di cambiare il mondo.
Abbiamo visto esplodere la bolla quantistica negli ultimi dieci anni, ma quali sono i potenziali vantaggi e rischi dell’espansione esponenziale delle aziende e dei finanziamenti di tecnologia quantistica in tutto il mondo?
Nel complesso il quadro è molto positivo. L’elaborazione delle informazioni quantistiche necessitava di una spinta da parte dell’industria, poiché le aziende possono spingere per gli sviluppi più pragmatici di cui il settore ha bisogno. La prospettiva offerta dall’industria sta contribuendo a modellare le tecnologie quantistiche in modo più mirato, per quanto riguarda gli obiettivi generali. Il mercato in erba ed in espansione, sia nell’industria che nel mondo accademico, è fantastico.
Ma, come hai sottolineato, c’è stata una rapida crescita. E anche se questo è in gran parte una buona cosa, c’è anche un po’ di preoccupazione che potremmo creare una grande bolla che prima o poi scoppierà. Penso quindi che sia una questione di controllo: dobbiamo moderarci un po', pur consentendo all'area di ricerca di crescere in modo organico.
Sono leggermente preoccupato dal numero di piccole aziende che sembrano tutte sviluppare il proprio software quantistico. I loro prodotti hanno ben poco a che fare con i veri algoritmi quantistici e sono tipicamente soluzioni di ottimizzazione classiche, che hanno i loro meriti. Ma non sono necessariamente ciò che definirei una struttura quantistica.
D’altro canto, alcune aziende spin-off sono più orientate all’implementazione di piattaforme di elaborazione quantistica, come i sensori quantistici. Questi sono davvero interessanti, poiché non sono in gioco solo i calcoli quantistici, ma anche altre leggi fisiche.
Ci sono quattro pilastri alla base degli sviluppi della tecnologia quantistica: informatica quantistica; simulazione quantistica; comunicazione quantistica; e rilevamento quantistico e metrologia. E direi che tutti e quattro si stanno sviluppando in modo molto sano.
Il rilevamento quantistico sembra essere uno dei più avanzati, insieme alla comunicazione, grazie alla maturità delle tecnologie che possono sfruttare. Sebbene il coinvolgimento dell’industria sia vantaggioso e promettente, dovremmo diffidare della speculazione selvaggia e dell’”inflazione” che deriva dal tentativo di saltare su un autobus veloce, senza avere a portata di mano la tariffa intera per la corsa.
E anche se sono spesso scettico nei confronti delle aziende più piccole, a volte ricevi notizie preoccupanti anche dai grandi player. Ad esempio, l’azienda tecnologica cinese Alibaba aveva interesse a sviluppare piattaforme e soluzioni di calcolo quantistico, finché alla fine dello scorso anno non ha improvvisamente deciso di chiudere il suo team quantistico interno, affermando che avrebbe preferito concentrarsi sull’essere leader nella ricerca sull’intelligenza artificiale.
Si è trattato semplicemente di una decisione commerciale oppure Alibaba sta annusando qualcosa che noi non abbiamo ancora annusato? Immagino che dovremo aspettare e vedere. Nel complesso, penso che il futuro sia luminoso e che il coinvolgimento dell’industria sia un’ottima notizia.
Esistono diverse tecnologie di calcolo quantistico in lizza per il primo posto: dagli ioni intrappolati e i punti quantici ai qubit superconduttori e fotonici. Quale pensi che abbia maggiori probabilità di successo?
Sono un po' agnostico, nel senso che non credo che il primo dispositivo quantistico che costruiremo sarà completamente quantistico. So che per alcuni questa è un'interpretazione controversa, ma è un'opinione condivisa da molti altri nel mio campo. Quello con cui penso che ci ritroveremo è un'architettura ibrida, dove il meglio di calcolo ad alte prestazioni (HPC) si interfaccerà con architetture di calcolo quantistico.
Forse questi quanto rumoroso su scala intermedia (NISQ) le architetture saranno affiancate da un'architettura HPC a tutti gli effetti che ne aumenterà le prestazioni, o viceversa. Le risorse quantistiche messe sul tavolo da questo tipo di dispositivo ibrido miglioreranno le prestazioni che l’attuale HPC classico può produrre. Credo fermamente nella fattibilità di questo tipo di architettura ibrida: una soluzione completamente quantistica è ancora molto lontana da dove siamo ora.
Inoltre, non sono del tutto convinto che avremo la capacità di gestire le enormi risorse che sarebbero necessarie per sfruttare appieno il divario di potenza computazionale che offrirebbe un computer quantistico. Un obiettivo a medio termine che mira a questa architettura quantistica HPC ibrida sarà un’architettura molto più realistica – e potenzialmente molto fruttuosa – da perseguire. Sono leggermente ottimista sul fatto che succederà qualcosa nella mia vita.
Hai menzionato che i sensori quantistici sono già in fase di sviluppo per un’ampia varietà di applicazioni, tra cui la sanità, l’edilizia e persino la misurazione della gravità. Cosa c'è di nuovo ed eccitante in quell'area?
I sensori quantistici stanno sviluppando straordinarie capacità per indagare meccanismi che finora sono stati sfuggenti. In sostanza, questi sensori ci aiutano a rilevare meglio i potenziali effetti quantistici di forze come la gravità, che molti ricercatori nel Regno Unito hanno interesse a perseguire. Una parte sostanziale della comunità sperimentale sta perseguendo questi obiettivi, con l’hub quantistico dell’Università di Birmingham in testa su questo fronte.
Non penso che qualcuno affermi che esista una piattaforma sperimentale vincente da perseguire: sia gli atomi freddi che l'optomeccanica sono tra i più promettenti in questo senso. Ma i progressi teorici e sperimentali che quest’area ha raggiunto sono molto interessanti.
I sensori in grado di sondare la natura fondamentale dei meccanismi fisici sfuggenti rappresenteranno, a mio avviso, uno sviluppo chiave. E poi ci sono altri dispositivi di rilevamento, come accelerometri o imager, che sono già abbastanza consolidati. IL Programma nazionale per le tecnologie quantistiche del Regno Unito ha già compiuto progressi significativi in questo senso e la tecnologia è disponibile e sufficientemente matura per avere un impatto reale.
Penso che le industrie dovrebbero investire molto in questo settore perché, insieme alla comunicazione, il rilevamento è in prima linea nelle implementazioni delle tecnologie quantistiche in questa fase.
Preparare la scena per un mercato quantistico: dove sta andando il business quantistico e come potrebbe svolgersi
E che dire della comunicazione quantistica?
La comunicazione quantistica è probabilmente l’esempio più concreto in cui il progresso accademico è stato messo a frutto, a vantaggio degli obiettivi guidati dall’industria. È stato un esempio assolutamente straordinario di ciò che possiamo ottenere quando questi due componenti lavorano insieme.
Sebbene i progressi siano stati fantastici, ci sono anche aspetti controversi, soprattutto se consideriamo le implicazioni geopolitiche più ampie di una rete quantistica globale. La questione della comunicazione e della sicurezza dei dati diventerà significativa, quindi dobbiamo considerare attentamente le implicazioni più ampie di questi sviluppi tecnologici. I confini geopolitici cambiano continuamente e i loro obiettivi non sempre coincidono con gli obiettivi scientifici.
Quali sono alcune aree chiave in cui l’intelligenza artificiale e le tecnologie quantistiche si intersecano? Dove si aiutano meglio a vicenda e quali sono i potenziali problemi?
Questa è una domanda molto importante. Inutile dire che il Santo Graal per entrambe le aree è molto vicino: sia l’intelligenza artificiale che il calcolo quantistico si basano sullo sviluppo di nuovi algoritmi. Si sente parlare di machine learning (ML) o di intelligenza artificiale quantistica, ma non è quello che intendono veramente. Non si riferiscono ad algoritmi quantistici appositamente progettati per problemi di intelligenza artificiale o ML. Ciò che intendono è l’ibridazione dell’apprendimento automatico classico o dell’intelligenza artificiale classica con problemi quantistici.
Queste soluzioni dipenderanno dal campo e dal problema che stiamo cercando di affrontare. Ma in generale ci troviamo di fronte a tecniche classiche per l'elaborazione di set di dati; problemi di ottimizzazione; risolvere funzioni di costo; e controllare, ottimizzare e manipolare i problemi quantistici.
È molto promettente, dato che stai mettendo insieme il meglio dei due mondi. Da un punto di vista teorico, l’obiettivo è affrontare le questioni che necessitano di essere affrontate a livello generale della meccanica quantistica, e forse i problemi più ampi e complicati in termini di scala. Vogliamo costruire strumenti a livello algoritmico che permettano di affrontare la complessità di tali problemi in maniera certificabile e consolidata.
E la cosa interessante è che gli esperimenti hanno iniziato a mettersi al passo con gli sviluppi teorici. Disponiamo già di una serie di soluzioni, approcci e metodologie che sono stati sviluppati in questo scenario ibrido in cui il machine learning e l’elaborazione delle informazioni quantistiche si uniscono.
Spero che questi esperimenti vengano studiati a fondo nei prossimi anni e non rimangano coinvolti se l'intelligenza artificiale e la bolla quantistica dovessero scoppiare. Dubito però che sarebbe così, perché l’intelligenza artificiale è qui per restare, mentre il machine learning è ormai uno strumento imperdibile utilizzato dagli analisti di dati di tutto il mondo. Se abbiamo l’ambizione di aumentare la complessità dei problemi che possiamo e dobbiamo affrontare, allora dobbiamo concentrarci sullo sviluppo di questi strumenti.
Quali nuove iniziative sono in corso in questo ambito?
All'inizio di quest'anno, Ricerca e innovazione nel Regno Unito (UKRI) ha annunciato che sta finanziando nove nuovi centri di ricerca per “fornire tecnologie AI rivoluzionarie” per affrontare problemi complessi, dall’assistenza sanitaria all’energia, nonché altri 10 studi per definire “IA responsabile”. So che alcuni di questi hanno una componente quantistica, soprattutto nel settore sanitario, dove le soluzioni basate sull’intelligenza artificiale sono assolutamente fondamentali, ma potrebbero esserci anche soluzioni quantistiche.
Quindi sono molto ottimista per quanto riguarda la fusione tra intelligenza artificiale e tecnologia quantistica, purché lo sviluppo di un quadro di intelligenza artificiale sia regolamentato. In questo momento, il La Commissione europea sta formulando il quadro giuridico per la sua legge sull’IA, che affronterà i rischi che l’intelligenza artificiale potrebbe comportare e il ruolo globale che l’UE spera di svolgere nella regolamentazione della tecnologia. Sia il Regno Unito che gli Stati Uniti stanno lavorando su quadri simili già da un po’, quindi dovremmo formulare una politica e una regolamentazione globale, prima piuttosto che dopo.
Finché questo sviluppo segue una politica regolamentata con un quadro solido, le interazioni dell’intelligenza artificiale con le tecnologie quantistiche dovrebbero creare un utile meccanismo di feedback bidirezionale che aiuterà entrambi i campi a crescere in modo significativo.
Quando si tratta di finanziamenti per la tecnologia quantistica da parte dei governi a livello globale, in quali aree specifiche vorreste vedere ulteriori investimenti?
Le mie sovvenzioni! Ma parlando più seriamente, gli investimenti a livello governativo sono stati diffusi e sostanziali per quello che è essenzialmente un campo scientifico ancora emergente. Rispetto ad altri settori che ricevono finanziamenti scientifici, come la ricerca militare o medica, la quantità di denaro messa sul piatto è quasi ridicola, ma per noi è ovviamente un'ottima cosa. Un vantaggio di questo tipo di spesa pubblica è che ci costringe a formare una comunità e a individuare obiettivi condivisi.
Se ci riferiamo ai quattro pilastri sopra menzionati, esiste una connessione di fondo tra la fisica fondamentale e gli sviluppi teorici. Diversi paesi hanno scelto uno o più pilastri su cui concentrarsi, a seconda delle proprie competenze e risorse. Gli Stati Uniti sono molto concentrati sul calcolo. L’UE è più estesa e quindi la situazione è più complessa, ma ci sono grandi investimenti nelle comunicazioni, nonché un crescente interesse per la simulazione, mentre una serie di strategie nazionali dell’UE si concentrano anche sul rilevamento.
Anche il Regno Unito sta cercando di coprire l’intero spettro, identificando però alcuni argomenti molto ben definiti, dall’imaging al calcolo, e dalla comunicazione al rilevamento. Ci sono paesi come la Finlandia che hanno un approccio più sperimentale e si concentrano sulle architetture superconduttrici, poiché hanno già a disposizione enormi strutture. Singapore, d’altro canto, sta sviluppando una linea di ricerca molto forte nella comunicazione quantistica basata sui satelliti. Per un piccolo paese, ha un enorme potenziale, sia in termini di talento che di risorse.
Quindi i diversi paesi hanno sviluppato la propria area di competenza, in modo organico. E così facendo, stiamo tutti vincendo come comunità: stiamo tutti beneficiando di tutti i progressi che sono stati compiuti. Alcuni piccoli passi, alcuni passi più incrementali, alcuni enormi passi da gigante.
Penso che sarà davvero importante che i governi, nazionali e sovranazionali, si rendano conto che gli investimenti nelle tecnologie quantistiche dovrebbero essere sostenuti. È un'area che necessita di un sostegno continuo e ininterrotto per raggiungere i suoi ambiziosi obiettivi. E noi, come comunità scientifica, dobbiamo proiettare un quadro coerente con gli stessi obiettivi, nonostante le eventuali differenze. Solo allora saremo nella posizione migliore per tradurre le tecnologie quantistiche in realtà che cambiano la vita.
In qualità di nuovo caporedattore di Scienza e tecnologia quantistica (QST), qual è la tua visione per la rivista?
È un grande onore e sono assolutamente lusingato, ma è anche un grande sforzo, dato il panorama in evoluzione delle riviste legate ai quanti. Ciò che voglio per la rivista è assicurarmi che QST rimanga una delle strade preferite per la presentazione di contributi di alto livello. Ma voglio anche contribuire a dare forma al manifesto della rivista e ai suoi obiettivi.
La mia prima priorità come caporedattore è stata quindi quella di istituire un comitato esecutivo che, insieme al supporto del comitato editoriale, definirà in modo chiaro lo scopo e la missione della rivista. E questo influenzerà poi il modo in cui la rivista si svilupperà nei prossimi anni, guidata dalla comunità di ricerca quantistica. In termini di portata, mi piacerebbe vedere più aggiornamenti sperimentali di alta qualità che spingano i limiti dell’implementazione delle tecnologie quantistiche.
IOP Publishing ha un accordo trasformativo (TA) con la tua istituzione, in termini di pubblicazione ad accesso aperto. Puoi parlarmi di questo?
Penso che sia stato un accordo rivoluzionario per quanto riguarda la pubblicazione dei nostri risultati. Con i criteri rigorosi che i consigli di ricerca hanno imposto sui risultati sostenuti da sovvenzioni – ad esempio dal Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche (EPSRC) – e la necessità che siano pienamente accessibili e che i dati siano pienamente disponibili per la comunità, avere un AT che garantisca il libero accesso è ciò di cui abbiamo bisogno. È fantastico avere la tranquillità che la pubblicazione IOP sia una strada praticabile per la pubblicazione dei miei output conformi a EPSRC.
Oltre a finanziare la conformità, l’accordo IOPP elimina l’onere amministrativo derivante dalla gestione delle fatture per le spese di pubblicazione degli articoli (APC), il che è un grande sollievo per gli scienziati. Ho sostenuto l’ampliamento dell’iniziativa – stabilendo accordi simili con altre case editrici – ma anche assicurandomi che questo non sia un esperimento una tantum che svanisce nel prossimo anno o giù di lì. Dovremmo renderlo sistemico nel modo in cui sono coinvolte le istituzioni non solo nel Regno Unito, ma, per quanto mi riguarda, in tutta Europa. Dovrebbe essere incapsulato fin dall’inizio, nel modo in cui operano gli istituti di istruzione superiore e gli istituti di ricerca. È fondamentale garantire una sinergia tra le case editrici e le università o gli istituti di ricerca.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
