Le basi teoriche della meccanica quantistica risalgono a oltre cento anni fa. Negli anni ’80, gli scienziati si sono resi conto che la meccanica quantistica non solo offriva una descrizione accurata dei fenomeni naturali, ma poteva anche portare a sviluppi tecnologici rivoluzionari. Uno di questi è l’informatica quantistica. Sfruttando fenomeni intrinsecamente quantistici come la superposizione (una proprietà che permette ai sistemi quantistici di comportarsi come se si trovassero in più stati contemporaneamente fino a quando non vengono misurati) e l’entanglement (una proprietà che permette di scambiare informazioni quantistiche tra due particelle a distanza), i computer quantistici hanno potuto eseguire calcoli che sarebbero impossibili per i computer tradizionali. Questo vantaggio rende possibile lo sviluppo di nuovi algoritmi per affrontare problemi che altrimenti non potrebbero essere risolti.
Tutti i progetti a cui stiamo lavorando applicano metodi e strumenti di calcolo quantistico all’ambiente, all’alimentazione, ai trasporti, all’energia e alla medicina nei Paesi in via di sviluppo.
Vincenzo Savona, direttore accademico del Centro per la scienza e l’ingegneria quantistica (QSE) dell’EPFL
L’informatica quantistica è ancora agli albori e rimangono molte sfide prima che queste tecnologie possano essere utilizzate su larga scala. Una delle principali aree di ricerca è rivolta alla progettazione di nuovi dispositivi quantistici o al miglioramento di quelli esistenti, al fine di ottimizzare le prestazioni e le dimensioni dei computer quantistici. Gli scienziati stanno anche cercando di limitare e correggere gli errori quantistici, che impediscono al sistema di mantenere le sue proprietà quantistiche, interrompendo il funzionamento dei computer quantistici e rendendoli meno funzionali. Un’altra area di interesse è la creazione di algoritmi quantistici in grado di risolvere problemi del "mondo reale".
I ricercatori dell’EPFL stanno conducendo una serie di progetti volti a sviluppare applicazioni di informatica quantistica che soddisfino gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDGs) delle Nazioni Unite. "Tutti i progetti a cui stiamo lavorando applicano metodi e strumenti di calcolo quantistico all’ambiente, all’alimentazione, ai trasporti, all’energia e alla medicina nei Paesi in via di sviluppo", spiega Vincenzo Savona, professore associato presso il Laboratory for Theoretical Physics of Nanosystems (LTPN) e direttore accademico del Centre for Quantum Science and Engineering (QSE) dell’EPFL. Questi casi pratici sono il risultato di uno sforzo di collaborazione che coinvolge università, aziende private e responsabili politici.
Applicazioni multiple
Anche se siamo ancora agli inizi della piena diffusione dei sistemi quantistici, le capacità dell’informatica quantistica potrebbero offrire numerosi vantaggi in alcuni campi. Come proposto dal fisico Richard Feynman negli anni ’80, la simulazione di sistemi meccanici quantistici potrebbe essere una delle applicazioni più significative. "Con i computer quantistici potremmo simulare atomi, molecole e materiali e ottenere una descrizione più accurata delle proprietà della materia", spiega Vincenzo Savona. "Ad esempio, una migliore comprensione della struttura elettronica della materia potrebbe aiutare nello sviluppo di nuove molecole con applicazioni in medicina e biologia".I computer quantistici potrebbero essere utilizzati anche per ottimizzare alcuni problemi complessi, soprattutto in settori legati all’ambiente, all’industria, alla logistica, ai trasporti e alla catena di approvvigionamento. Ad esempio, potrebbero aiutare a trovare il percorso migliore per i camion delle consegne, riducendo così il consumo di carburante e le emissioni di carbonio. Queste tecnologie potrebbero anche consentire una migliore allocazione delle risorse mediche nel sistema sanitario o contribuire a una distribuzione più efficiente dell’energia nelle reti elettriche. Un altro esempio pratico è l’ottimizzazione della struttura dei materiali, che consente di migliorare proprietà come la resistenza e la conduttività. "Si tratta di problemi che i computer convenzionali non sono generalmente in grado di risolvere in modo efficace", afferma Vincenzo Savona.
L’informatica quantistica apre prospettive promettenti anche quando viene combinata con altre tecnologie, come l’IA. Grazie alla loro impareggiabile capacità di gestire calcoli complessi, i sistemi quantistici possono consentire all’IA di affrontare problemi che attualmente sono al di là della portata dei computer convenzionali. Possono essere utilizzati per addestrare le reti neurali in modo più efficiente, dando vita all’apprendimento automatico quantistico, un campo in rapida crescita. A sua volta, l’IA, e in particolare l’apprendimento automatico, vengono utilizzati per simulare le proprietà dei sistemi quantistici complessi. Il legame tra informatica quantistica e IA rappresenta il futuro paradigma dell’informatica avanzata.
Raggiungere obiettivi concreti di sviluppo sostenibile
"Gli Obiettivi di sviluppo sostenibile coprono molte questioni che sono già al centro del nostro lavoro, in particolare nei settori della salute, dell’istruzione, dell’innovazione e della sostenibilità ambientale", spiega Marcel Salathé, co-direttore accademico del Centro AI dell’EPFL. "Grazie alle competenze dell’EPFL, siamo in grado di fornire un supporto diretto alle ONG e alle organizzazioni internazionali, aiutandole a raggiungere i loro obiettivi".È sorprendente vedere quanto i governi locali siano favorevoli a queste iniziative quando vedono che possiamo introdurre una soluzione in grado di migliorare le loro condizioni di vita.
Vincenzo Savona
Nell’ambito di un partenariato tra il Centro QSE, l’Anticipatore della Scienza e della Diplomazia di Ginevra (GESDA) e l’OQI, gli scienziati dell’EPFL stanno studiando come le tecnologie quantistiche potrebbero risolvere problemi che riguardano specificamente i Paesi in via di sviluppo e che sono altamente rilevanti per gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile.
Devis Tuia, professore associato presso il Laboratorio di Scienze computazionali per l’ambiente e l’osservazione della Terra dell’EPFL, utilizza l’apprendimento automatico e sviluppa strumenti per comprendere l’ambiente. Sebbene le tecnologie quantistiche possano aiutare a risolvere problemi concreti, egli sottolinea che la partecipazione della popolazione locale è fondamentale. "Dobbiamo co-sviluppare le tecnologie con gli scienziati locali e consentire loro di possedere i propri dati e flussi di lavoro", osserva. "È sorprendente vedere quanto i governi locali siano favorevoli a queste iniziative quando vedono che possiamo introdurre una soluzione che può migliorare le loro condizioni di vita", aggiunge Vincenzo Savona.
Uno dei progetti guidati dallo scienziato prevede l’esplorazione e l’ottimizzazione della produzione alimentare autonoma in alcune regioni del Sudafrica, in linea con l’Obiettivo di Sviluppo Sostenibile 2: fame zero. Questo caso d’uso prevede la possibilità di utilizzare l’informatica quantistica per calcolare con estrema precisione la quantità e il tipo di colture necessarie in una vasta rete in cui sono presenti molti produttori e che è gestita da diverse autorità. "Si tratta di un problema di ottimizzazione multi-obiettivo di grandi dimensioni, generalmente difficile da calcolare per i computer classici. Speriamo di poter sfruttare i computer quantistici per risolvere questi problemi", spiega Vincenzo Savona.
È già utile inquadrare questi casi pratici e sensibilizzarli. "Se arriviamo alla conclusione che i computer quantistici non sono adatti a questo particolare problema, si tratta di un risultato importante, perché abbiamo contribuito a identificare il problema, le sfide e gli ostacoli", afferma Vincenzo Savona.
Stabilire un dialogo per il bene comune
Il mondo accademico svolge un ruolo essenziale nella ricerca fondamentale sull’informatica quantistica. Tuttavia, a causa dei massicci investimenti economici richiesti, aziende private come Microsoft, Amazon, Google e IBM stanno svolgendo gran parte della ricerca e dello sviluppo in questo campo. "Ci sono sempre cose da imparare da entrambe le parti", afferma Vincenzo Savona. "Ad esempio, nel mondo accademico mettiamo in discussione alcuni dei metodi e degli strumenti utilizzati dalle aziende"."Trovare il modo di sfruttare le sinergie tra università e istituzioni private è essenziale per uno sviluppo tecnologico sostenibile", aggiunge Philippe Caroff, direttore esecutivo del Centro QSE. Philippe Caroff sta inoltre collaborando con l’Open Quantum Institute e il GESDA in aree che si allineano con la missione educativa dell’EPFL e che contribuiscono ad aumentare la consapevolezza della scienza quantistica.
All’EPFL, i ricercatori del Centro QSE stanno progettando di sviluppare una piattaforma virtuale per rendere il calcolo quantistico accessibile a tutti i ricercatori, indipendentemente dalla loro posizione geografica. Questo potrebbe essere cruciale per lo sviluppo e la sperimentazione di algoritmi quantistici e porterà benefici sia alla ricerca che all’insegnamento presso l’EPFL. "Lo sviluppo economico è possibile grazie al nostro trasferimento tecnologico e agli spin-off, e sta già portando benefici alle industrie locali e globali", afferma Philippe Caroff.
Trovare il modo di sfruttare le sinergie tra università e istituzioni private è essenziale per garantire uno sviluppo tecnologico sostenibile.
Philippe Caroff, direttore esecutivo del Centro QSE dell’EPFL
Allo stesso tempo, l’istruzione è essenziale per garantire una buona comprensione delle tecnologie emergenti. In quest’ottica, l’EPFL sta sviluppando i principi del pensiero computazionale tra i suoi studenti. "Penso che dovremmo fare lo stesso con la meccanica quantistica e l’informatica quantistica", suggerisce Vincenzo Savona. A tal fine, gli studenti del Master in scienza e ingegneria quantistica dell’EPFL hanno ora un corso sullo sviluppo sostenibile.
Per sensibilizzare l’opinione pubblica sull’importanza della scienza quantistica e delle sue applicazioni, l’UNESCO ha proclamato il 2025 Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica. "Tutti i progressi umani sono stati il risultato di uno sforzo collettivo. È una ricerca intellettuale che è possibile solo rendendo la tecnologia accessibile al maggior numero possibile di persone", conclude Vincenzo Savona.
