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Megatrend e Sviluppo tecnologico nel decennio 2020-2030

Premessa

E’ notizia della scorsa settimana: la Cina ha aggiunto un nuovo tassello alla ricerca sui computer quantistici e punta a dominare il settore. Riportiamo integralmente la news:

“I computer quantistici rappresentano il più grande balzo in avanti nell’informatica degli ultimi decenni, e potrebbero rivoluzionare le vite di tutti. Un team di ricercatori cinesi ha creato un processore quantistico superconduttore con 66 qubit funzionali che, di fronte a un complesso compito di campionamento, è stato in grado di superare anche i supercomputer più potenti e completarlo in una frazione del tempo. Ciò che rende la ricerca così impressionante è il modo in cui esso ha dimostrato di essere superiore a quanto finora fatto dagli altri competitor. Il team è guidato da Jian-Wei Pan dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, che ha prodotto sia questo processore superconduttore, sia un sistema alternativo che utilizza la fotonica. Per ottenere il primato quantistico, il team mirava a utilizzare i “problemi di campionamento” come compito computazionale, che coinvolgono problemi le cui soluzioni non sono solo “campioni” casuali singolari, ma multipli lungo una distribuzione di probabilità. Con output potenziali così vasti, è possibile creare un problema di campionamento che un computer convenzionale non può affrontare in modo fattibile, ma i computer quantistici possono, e quindi è possibile dimostrare il primato quantistico e la loro potenza di calcolo. I più grandi processori quantistici possono attualmente elaborare circa 50 qubit, in gran parte a causa delle limitazioni fisiche del chip. Il nuovo processore superconduttore, chiamato Zuchongzhi, dispone di 66 qubit funzionali. Presentatogli un problema di campionamento estremamente complesso, stimato dai ricercatori 2-3 volte più impegnativo dei precedenti problemi assegnati ai processori quantistici, Zuchongzhi lo ha terminato in poco più di 1 ora. Pan e colleghi prevedono che lo stesso problema richiederebbe 8 anni per essere completato dagli altri supercomputer.”

(Fonte: “Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor”, Yulin Wu et all., Physical Review Letters, 2021)

La corsa alla supremazia nel campo è quindi già iniziata e vede, nuovamente, il confronto tra USA e Cina. Ma al di là degli aspetti geopolitici, cosa si intende per computer quantistici?

Di cosa stiamo parlando?

Lo sviluppo dei computer quantistici affonda le sue origini negli anni ’80. Fu allora che i ricercatori cominciarono ad intravedere la possibilità di creare un super elaboratore in grado di sfruttare le leggi della meccanica e della fisica quantistica per oltrepassare i limiti dei cosiddetti super computer, spalancando di fatto le porte ai nuovi e interessantissimi orizzonti: l’Intelligenza Artificiale.

Ma come funziona un computer quantistico? Tutti i computer che usiamo si basano sulla logica binaria. Ogni unità (il bit) prevede due possibilità di scelta (0 e 1) e tutte le informazioni offerte (più o meno complesse) vengono elaborate con una stringa di valori composta da tanti 0 e 1. Questo non è il caso del computer quantistico, che punta a sfruttare le diverse proprietà della fisica e della meccanica quantistica, consentendo al sistema di ragionare in maniera profondamente diversa dai computer precedenti e, quindi, non lineare. Il bit, infatti, è stato sostituito con il qubit, in grado di analizzare qualsiasi query o problema in maniera simultanea, anziché binaria. Il computer quantistico, pertanto, non funziona in parallelo e la sua rapidità non dipende da una mera questione di potenza, ma è legata semplicemente a un modo totalmente nuovo di elaborare le informazioni. Se gli attuali computer seguono le regole della fisica classica, questo non è il caso dei computer quantistici, i quali grazie alla fisica quantistica sarebbero in grado di processare informazioni che con gli attuali sistemi richiederebbero migliaia di anni. Non si tratta di una tecnologia che darà vantaggi in ogni ambito, motivo per il quale i computer tradizionali non verranno accantonati. Ciò nonostante, questo nuovo approccio lascia intravedere possibilità di applicazione enormi e, già attualmente, esistono settori nei quali il salto sembra molto interessante. Tra questi la chimica, la fisica, la farmaceutica e la crittografia. Ovviamente è un processo tutt’ora in itinere e che occupa alcune centinaia di ricercatori altamente specializzati in tutto il mondo.

Per capire come la scienza sia arrivata alla realizzazione dei computer quantistici è necessario tirare in ballo la Legge di Moore e la miniaturizzazione dei circuiti: a partire dagli anni ’60, si è assistito a un miglioramento progressivo della potenza di calcolo dei Pc, incremento legato a doppio filo con la parallela e costante miniaturizzazione dei circuiti elettronici da cui deriva anche la celebre Legge di Moore. Secondo questa regola, la complessità dei microcircuiti, misurata attraverso il numero di transistor presenti in un chip (il processore) e la conseguente velocità di calcolo, raddoppiano ogni 18 mesi. Tuttavia, questa legge oggi non risulta quasi più applicabile e il motivo principale sta nel raggiungimento dei limiti imposti dalla meccanica, che rendono molto più difficile che in passato proseguire sulla strada della miniaturizzazione. Limite questo, che in un certo senso ha spalancato le porte a un netto cambio di paradigma, basato sulla necessità di sfruttare le potenzialità della meccanica e della fisica quantistica, allo scopo di raggiungere una maggior potenza e fluidità di calcolo. Ed ecco che i bit sono stati sostituiti dai qubit, non codificati medianti i simboli 1 e 0, ma relativi allo stato quantistico in cui si trovano le particelle o gli atomi impiegati. Questi ultimi possono avere contemporaneamente valore 1 e 0, tra l’altro in una varietà di combinazioni tali da produrre milioni di stati quantistici differenti. Una condizione che assume significati vastissimi se pensata in relazione alla progressione matematica: 2 qubit possono avere ben 4 stati contemporaneamente, 4 qubit corrispondono a 16 stati, 16 qubit a 256 stati e così via fino a quantità che nessuno strumento elettronico attuale è in grado di immaginare. In poche parole, un computer quantistico sarebbe capace di elaborare nello stesso momento, in virtù delle sue capacità di calcolo parallelo, diverse soluzioni per un singolo problema, anziché semplici calcoli sequenziali come avviene attualmente per i pc tradizionali.

Quali aziende stanno investendo sul computer quantistico?

IBM è stata una delle prime realtà ad aver investito nello sviluppo del Quantum Computing e nella realizzazione di computer quantistici generalisti ed accessibili a tutti. Oggi, sono disponibili sistemi da 20 qubit pronti all’uso e, a breve, anche macchine dotate di processori da 50 e più qubit. I sistemi IBM Q online dotati di processori da 20 qubit, a partire dall’anno in corso vedranno miglioramenti nella progettazione degli stessi qubit, oltre che nel packaging, nell’hardware e nella connettività. I tempi di coerenza (ovvero la quantità di tempo necessaria per eseguire i calcoli) si attestano attualmente sui 90 microsecondi. Oltre che per l’elevata velocità di calcolo, questi sistemi di nuova generazione si differenziano anche per un’eccellente affidabilità. Abbiamo poi tra le top Google Alphabet che  intende utilizzare il quantum computing soprattutto per l’intelligenza artificiale: la società di Mountain View ha in funzione un computer quantistico in collaborazione con la NASA, il D-Wave nel Quantum Artificial Intelligence lab (QuAIL), i cui test iniziali sono stati pubblicati in un paper del 2015. Nel 2018 Google ha annunciato un nuovo processore quantistico, nome in codice Bristlecone, a 72 qubit. Ma le aziende che si sono “affacciate” nel settore sono numerose e ognuna interessandosi ad un determinato settore.

Ecco un elenco:

  • Airbus (che vuole adattare le macchine quantistiche esistenti a problemi specifici nel settore aerospaziale);
  • Alibaba (attiva nella ricerca e sviluppo sul quantum computing);
  • AT&T (ha annunciato una collaborazione con il California Institute of Technology per sviluppare la sua tecnologia di rete quantistica);
  • Baidu (attiva nella ricerca e sviluppo sul quantum computing);
  • Booz Allen Hamilton (intende utilizzare il quantum computing per offrire prodotti e servizi migliori di data-science ai propri clienti);
  • British Telecommunications (sta facendo ricerche sulle proprietà quantistiche per proteggere le informazioni sensibili).
  • Google (vedasi sopra);
  • Honeywell (si occupa di quantum computing dal 2014, è una delle poche aziende che lavorano sulla tecnologia a ioni intrappolati (trapped ion technology), mentre la stragrande maggioranza, tra cui IBM, Google e Intel, utilizzano la tecnologia a semiconduttori per costruire l’hardware per il calcolo quantistico);
  • IBM (vedasi sopra);
  • Intel (sta concentrando i suoi sforzi nella ricerca per sviluppare modi nuovi e migliori per produrre in serie computer quantistici, secondo il concetto della praticità quantistica. Questi sforzi si sono già concretizzati in un primo risultato: lo sviluppo del chip di controllo criogenico denominato Horse Ridge, che secondo Intel sarà in grado di accelerare lo sviluppo di sistemi di quantum computing full-stack);
  • KPN (attiva in un sistema di quantum key distribution end-to-end che potrebbe portare a trasmissioni più sicure);
  • Lockheed Martin (ha lanciato una partnership con la University of Southern California e un agreement pluriennale con D-Wave Systems);
  • Microsoft (si è focalizzata sul fornire gli strumenti di sviluppo per il quantum computing. L’azienda ha lanciato il Quantum Development Kit composto da un framework di programmazione e dal nuovo linguaggio Q# per gli sviluppatori che desiderano scrivere applicazioni per computer quantistici, così come, più di recente, il Microsoft Quantum Network, una rete di istituzioni e individui che lavorano su applicazioni e hardware quantistici);
  • Mitsubishi (è impegnata nello sviluppo di soluzioni per la sicurezza delle comunicazioni mobili su rete quantistica sicura);
  • NEC (con Fujitsu è impegnata nelle comunicazioni quantistiche sicure a lunga distanza. NEC ha inoltre siglato, alla fine dello scorso anno, una serie di accordi con D-Wave Systems per accelerare la realizzazione di computer quantistici commerciali);
  • Nokia (società proprietaria di Bell Laboratories, pioniere del quantum computing, è coinvolta in un progetto all’Università di Oxford insieme a Lockheed Martin per esplorare il potenziale della tecnologia quantistica per migliorare l’ottimizzazione e il machine learning);
  • NTT (si è focalizzata sulle applicazioni di ottimizzazione e ha pianificato l’apertura di un nuovo quantum computing research center nella Silicon Valley);
  • Raytheon (ha creato un gruppo, nel suo centro R&D, focalizzato sull’applicazione del quantum computing all’imaging);
  • SK Telecom (sta costruendo una rete quantistica in Corea del Sud);
  • Toshiba (sistema di quantum key distribution (QKD) fornisce chiavi digitali per applicazioni crittografiche su reti di computer basate su fibra ottica).

Il caso IONQ (NYSE)

IonQ è una società di hardware e software di calcolo quantico con sede a College Park, nel Maryland. Attualmente sta lavorando alla realizzazione di un computer quantistico che impiega il metodo degli ioni intrappolati. Secondo Christopher Monroe, fisico e fondatore di IonQ, la scienza si sta attualmente concentrando su due modelli distinti, ovvero i circuiti superconduttori (la strada percorsa da IBM e Google) e gli ioni intrappolati (sui quali sta lavorando il centro di ricerca di Harvard). Facendo delle comparazioni tra i due sistemi, Monroe è giunto alla conclusione che le prestazioni ottenute attraverso tali tecnologie siano molto simili. A fare la differenza, però, sarebbe il collegamento tra i qubit: tutti gli ioni intrappolati sono collegati fra loro mediante forze elettromagnetiche; nei circuiti superconduttori, invece, soltanto alcuni qubit sono connessi, condizione in grado di rallentare il passaggio delle informazioni. Sempre secondo Monroe, l’umanità potrà salutare la comparsa dei primi sistemi dotati di migliaia di qubit entro poco più di un decennio. Il processo di creazione è così sinteticamente spiegato (Fonte: Ionq Company Website):

  • La parte più importante di qualsiasi computer quantistico sono i suoi bit quantistici, o qubit. I qubit di IonQ sono atomi di itterbio ionizzato, un metallo argentato delle terre rare. Ogni atomo di itterbio è perfettamente identico a ogni altro atomo di itterbio nell’universo. Inoltre, una volta preparati in un particolare stato quantistico stabile, possono rimanere in quello stato per periodi di tempo molto lunghi: sono così coerenti da essere utilizzati in uno degli orologi atomici più accurati mai costruiti.
  • Dopo aver trasformato l’atomo in uno ione, viene utilizzato un chip specializzato chiamato trappola ionica lineare per mantenerlo con precisione nello spazio 3D. Questa piccola trappola è dotata di circa 100 minuscoli elettrodi progettati, litografati e controllati con precisione per produrre forze elettromagnetiche che mantengono gli ioni in posizione, isolati dall’ambiente per ridurre al minimo il rumore ambientale e la decoerenza.
  • Ionq non si ferma ad uno ione; non sarebbe un processore quantistico molto utile. Ionq “carica” un numero qualsiasi di ioni in una catena lineare. Questa riconfigurabilità su richiesta consente di creare teoricamente qualsiasi cosa, da un sistema a un qubit a un sistema a oltre 100 qubit senza dover fabbricare un nuovo chip o modificare l’hardware sottostante. Ad oggi, ionq ha eseguito porte a qubit singolo su una catena di 79 ioni e algoritmi complessi su catene fino a 11 ioni.
  • Prima di poter utilizzare gli ioni così realizzati per eseguire calcoli quantistici, Ionq li prepara per il compito. Questo ha due passaggi principali: il raffreddamento, che riduce il rumore computazionale e rende i qubit migliori, seguito dalla preparazione dello stato, che inizializza ogni ione in uno stato “zero” ben definito, pronto per eseguire algoritmi.
  • Ionq utilizza una serie di operazioni chiamate gate per manipolare lo stato dei qubit, prima codificando e poi operando sulle informazioni che si vogliono calcolare. Per eseguire queste porte, utilizzano una serie di singoli raggi laser, ciascuno ripreso su un singolo ione, più un raggio “globale”. L’interferenza tra i due raggi produce una nota di battuta che è esattamente all’energia necessaria per portare i qubit in uno stato diverso.
  • Una volta eseguito il calcolo, la lettura della risposta dagli ioni avviene puntando un laser risonante su tutti loro contemporaneamente. Questo processo fa collassare qualsiasi informazione quantistica complessa creata e forza ogni qubit in uno dei due stati. La raccolta e la misurazione di questa luce consente di leggere contemporaneamente lo stato di collasso di ogni ione: uno degli stati si illumina in risposta alla luce laser, l’altro no. Ciò viene interpretato come una stringa binaria, dove ogni atomo luminoso è uno e ogni atomo scuro è uno zero.
  • Per contenere con successo informazioni quantistiche complesse, i qubit non possono interagire con nulla. Un singolo atomo di idrogeno vagante che entra in collisione con uno ione può rovinare il processo, facendo collassare stati delicati, facendo in modo che gli ioni si scambino di posto o facendo cadere completamente la catena. Quindi, Ionq ha inserito gliioni intrappolati all’interno di una camera ad altissimo vuoto, pompata a circa 10-11 Torr. A questa pressione, ci sono circa cento trilioni di volte meno molecole per pollice cubo rispetto all’aria che respiriamo ogni giorno.
  • Una volta che tutto è nella camera, l’intero gruppo va in un involucro ancora più grande con una varietà di sistemi di controllo elettrici, meccanici e ottici. Quindi, tutto viene agganciato a un computer classico che esegue il software Ionq di controllo personalizzato e, dopo la calibrazione, diventa un computer quantistico completamente funzionante, pronto per eseguire gate ed eseguire algoritmi con una fedeltà leader mondiale.

La tecnologia che è stata sviluppata e tutt’ora è in fase di sviluppo nella società Ionq, ha implicazioni in molteplici settori tra cui, ad esempio, la creazione di batterie quantistiche con una capacità e resistenza senza uguali (di elevato interesse data la direzione oramai intrapresa nel campo delle EV).

Un po’ di analisi tecnica.

E’ indubbio che si tratti di aziende Growth, dall’elevato potenziale ma che, attualmente, hanno come ricavi limitati alla sola vendita di processi di calcolo e cloud. Ionq attualmente non produce utile, ma le stime sono per una crescita esponenziale dei ricavi nei prossimi anni, direttamente collegato alle nuove scoperte scientifiche e alla crescita del settore.

A livello tecnico, come da grafico sottostante, il titolo, di recente quotazione, dopo un Pump nel mese di novembre, sembra aver brekkato al ribasso un triangolo simmetrico, con proiezione potenziale intorno ai 4 $. Sappiamo però che Ionq è solita a processi di Shakeout e il break dei triangoli simmetrici non è confermato fino a quando non vie è il superamento dei livelli massimi e minimi della base. Pertanto attendiamo il titolo nell’area in bianco per valutare una eventuale reazione.

Non è invito al trading.

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