L'Europa svela la sua visione per un futuro quantistico

La corsa per conquistare il mondo quantistico è tra le più ferocemente competitive nella tecnologia. La Cina e gli Stati Uniti hanno entrambi investito miliardi nello sviluppo di nuovi modi per sfruttare le strane leggi della fisica a cui danno accesso gli effetti quantistici. La promessa è una nuova era di informatica e comunicazione e, naturalmente, ricchezze inimmaginabili.

In tutta l'eccitazione, una parte del mondo viene lasciata indietro. L'Europa ha una ricca storia di innovazione nella fisica quantistica, ma negli ultimi anni ha iniziato a rimanere indietro rispetto ai suoi concorrenti globali.

Ecco perché la Commissione Europea ha annunciato nel 2016 che stava investendo un miliardo di euro in uno sforzo di ricerca noto come Quantum Technology Flagship. L'obiettivo di questo progetto è sviluppare quattro tecnologie: comunicazione quantistica, simulazione quantistica, calcolo quantistico e rilevamento quantistico. Dopo quasi due anni come va?

Il controllo dei sistemi quantistici è una sfida significativa.

Oggi diamo uno sguardo grazie alla pubblicazione della European Quantum Technologies Roadmap, una versione aggiornata del documento che definisce gli obiettivi del progetto nei prossimi 10 anni. In particolare, delinea due aree emergenti che hanno ricevuto meno interesse in altre parti del mondo: il software quantistico e il controllo quantistico. Questi potrebbero avere implicazioni significative per il futuro delle tecnologie quantistiche europee.

Il documento inizia delineando le aree di interesse. La prima, la comunicazione quantistica, offre la possibilità di inviare dati da un luogo all'altro in completa privacy, garantita dalle leggi della fisica. Ciò sta diventando sempre più importante perché un'altra tecnologia, l'informatica quantistica, sarà presto in grado di violare la crittografia comunemente utilizzata oggi. La comunicazione sicura è uno dei fondamenti della società moderna, poiché consente l'e-commerce e garantisce la privacy delle comunicazioni aziendali, governative e militari.

Il problema è che i sistemi di comunicazione quantistica esistenti sono costosi e complessi da gestire ed eseguire. La fase successiva nell'evoluzione di questi sistemi è renderli molto più gestibili.

La commissione afferma che ciò è imminente: è prevedibile entro i prossimi tre anni lo sviluppo di sistemi autonomi [di comunicazione quantistica] su distanze metropolitane che affronteranno i bassi costi di implementazione, le elevate velocità di chiavi sicure (> 10 Mbps) e il multiplexing.

Un altro problema è che la comunicazione quantistica funziona solo su connessioni punto a punto di circa 100 chilometri. Quindi i ricercatori stanno anche lavorando su router quantistici in grado di inviare i segnali molto più lontano. Tra 6 anni, vedremo probabilmente [sistemi di comunicazione quantistica] nelle reti del banco di prova, dimostrando lunghe distanze tramite nodi fidati, sistemi di piattaforme ad alta quota o satelliti, nonché reti intraurbane multinodo o commutabili, tutte richiedono l'avvio di progetti infrastrutturali su larga scala, afferma il rapporto.

L'area successiva è la computazione quantistica, che utilizza processi quantistici per generare prestazioni di elaborazione dati impressionanti. Questo è stato possibile sulla scala di pochi bit quantistici, o qubit, per alcuni anni. La sfida di oggi è scalare i computer quantistici a 100 qubit o più.

Questa road map delinea cinque potenziali modi per farlo, utilizzando sistemi che archiviano ed elaborano informazioni quantistiche in modi diversi. Questi includono la memorizzazione delle informazioni in ioni intrappolati in un campo magnetico o in nuclei atomici incorporati nel silicio o nel carbonio, nel flusso di corrente attraverso minuscoli circuiti superconduttori o in fotoni che viaggiano attraverso circuiti fotonici.

La commissione prevede chiaramente un'elaborazione quantistica su larga scala che utilizzi una o più di queste tecnologie entro 5-10 anni. Se ciò avverrà prima in Europa è molto meno chiaro.

La simulazione quantistica è la terza area di investimento. La simulazione di complesse proprietà quantistiche su un normale computer è quasi impossibile. Ma i sistemi quantistici possono essere realizzati per simulare più o meno perfettamente aspetti di altri sistemi quantistici.

I fisici stanno giocando con vari modi per farlo. L'idea di base è trovare un sistema quantistico che sia ben compreso e facile da manipolare e misurare, e quindi usarlo per simulare un sistema difficile da manipolare e misurare.

I sistemi ben conosciuti includono atomi e molecole ultrafreddi, ioni intrappolati in campi magnetici e circuiti superconduttori. I sistemi più complessi che i fisici vogliono capire si trovano nella fisica delle alte energie, nella cosmologia, nella fisica statistica e persino nella biologia, dove i processi quantistici sembrano svolgere un ruolo nel trasferimento di energia. La promessa è che la simulazione quantistica può fornire informazioni su tutte queste aree.

Ma ci sono sfide significative. Questi includono la ricerca di sistemi interessanti che possono essere simulati con le tecniche esistenti e la progettazione di un esperimento appropriato per farlo. Inoltre, i fisici devono trovare il modo per essere sicuri che il sistema abbia eseguito correttamente la simulazione.

Quanto di questo sarà possibile nei prossimi 10 anni non è ancora chiaro.

La quarta area di interesse è il rilevamento quantistico e la metrologia. L'idea qui è che se vogliamo sfruttare il mondo quantistico, dobbiamo essere in grado di misurarlo e percepirlo. Ciò significa misurare l'universo alla scala degli atomi e dei fotoni su scale temporali adeguatamente brevi.

I fisici hanno un'ampia varietà di strumenti per farlo, ma tutti devono essere migliorati. Quindi gli orologi quantistici devono essere resi più precisi, i sensori atomici devono essere resi più sensibili e i sensori optomeccanici devono essere resi più capaci.

La road map si conclude con la discussione di due nuove aree di interesse. Il primo è il controllo quantistico: la capacità di manipolare i sistemi quantistici utilizzando campi o forze elettromagnetiche esterne. L'obiettivo del controllo ottimale quantistico è ideare e implementare forme di impulsi di campi esterni o sequenze di tali impulsi, che raggiungano un determinato compito in un sistema quantistico nel miglior modo possibile, afferma.

In altre parole, si tratta di spingere i sistemi quantistici con onde radio e raggi laser per farli comportare in modi specifici. L'aspettativa è che questo tipo di controllo preciso dei sistemi quantistici consentirà, tra le altre cose, il calcolo e la simulazione quantistica su larga scala.

La seconda di queste nuove aree è lo sviluppo del software quantistico, che è molto più difficile da sviluppare rispetto al software ordinario perché i qubit possono esistere sia come 0 sabbia uno s allo stesso tempo. Ciò significa che diversi qubit possono eseguire molti calcoli in parallelo, motivo per cui i computer quantistici sono così estremamente potenti.

Ma estrarre la risposta da questi calcoli è difficile. E questo rende gli algoritmi quantistici estremamente fragili.

Il potenziale è che gli algoritmi quantistici possono superare notevolmente le prestazioni dei calcoli classici. Ma in realtà trovare algoritmi in grado di farlo è complicato. Questo software dovrà funzionare su scala sia di computer che di intere reti. I progressi in questo settore possono fornire all'Europa un modo per scavalcare i concorrenti che hanno un vantaggio nello sviluppo dell'hardware.

Uno dei problemi più interessanti è lo sviluppo di una teoria dell'informazione quantistica. La teoria classica dell'informazione sviluppata negli anni '40 e '50 dal matematico e ingegnere Claude Shannon è diventata la base dell'informatica e della comunicazione moderne. Una teoria altrettanto potente per l'informazione quantistica sfugge ai teorici, ma svilupparne una è un obiettivo importante in Europa. Molto dipenderà dal risultato.

Se questa tabella di marcia è un riassunto accurato dell'approccio dell'Europa allo sviluppo delle tecnologie quantistiche, i suoi rivali globali difficilmente tremeranno. Per la maggior parte, il piano manca di ambizione rispetto al lavoro altrove. La Cina, ad esempio, ha già in orbita un satellite in grado di comunicare quantisticamente con il suolo, e questa è l'invidia della comunità quantistica di tutto il mondo.

Le eccezioni riguardano le aree del controllo quantistico e del software quantistico. Si tratta di tecnologie abilitanti con ampie applicazioni nel mondo quantistico e potrebbero fornire un importante trampolino di lancio per l'Europa.

Una grande incognita è il ruolo dell'industria nel futuro delle tecnologie quantistiche. L'Europa desidera disperatamente collaborare con aziende come Google, IBM e Microsoft, che stanno tutte sviluppando tecnologie quantistiche proprie. Ma gran parte di questo lavoro è stato fatto finora negli Stati Uniti. Cambiare tale focus deve essere una priorità se l'Europa vuole ottenere ricompense adeguate dal suo investimento di miliardi di euro.

Rif: arxiv.org/abs/1712.03773 : La tabella di marcia europea per le tecnologie quantistiche

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