L’informatica quantistica sembra uno dei settori di studio dai quali attendere una vera rivoluzione scientifica e tecnologica. Ad oggi, però, si contano sulle dita i computer quantistici funzionanti al mondo. Uno di questi viene utilizzato nell’ambito di alcune ricerche svolte dal Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell’Informazione (DISI) dell’Università di Trento.
Per saperne di più ne abbiamo parlato con Davide Pastorello, ricercatore del DISI e componente del gruppo di ricerca in Quantum Information and Computing (coordinato da Enrico Blanzieri).
Dottor Pastorello, l’emergere delle tecnologie quantistiche sembra una vera rivoluzione nell’ambito della ricerca: ci può accennare di cosa si tratta?
Con il termine generico “tecnologie quantistiche” si intende un ambito scientifico e tecnico, sviluppatosi negli ultimi anni, che prevede l’applicazione di fenomeni quantistici presenti nel mondo microscopico (come l’entanglement, un tipo di correlazione priva di analogo classico) finalizzata alla ricerca di 
soluzioni tecnologiche pratiche che riguardano molti ambiti come le telecomunicazioni, la computazione, la crittografia, la sensoristica.
In verità, la meccanica quantistica ha portato alla nascita di tecnologie come il transistor e il laser già a partire dalla metà del ventesimo secolo. Ma le tecnologie quantistiche alle quali ci stiamo riferendo sono quelle basate sul concetto di “informazione quantistica”. Ad esempio, sono stati sviluppati di recente i primi prototipi di computer quantistici. L’ambito è estremamente interdisciplinare, i team di ricerca vedono lavorare insieme fisici teorici e sperimentali, informatici, matematici e ingegneri. Ne è un esempio l’iniziativa Q@TN, il laboratorio congiunto Università, CNR e FBK, che coinvolge diversi dipartimenti UniTrento tra cui il DISI, nato per coordinare le attività di ricerca svolte nel territorio per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche.
Qual è la differenza tra un computer quantistico e un normale computer e perché ce ne sono così pochi funzionanti al mondo?
Un computer quantistico processa l’informazione operando direttamente sugli stati fisici di singoli sistemi quantistici. Ad esempio, se abbiamo un set di dati rappresentati dagli stati elettronici di ioni confinati e controllati, possiamo sovrapporli quantisticamente ed elaborarli mediante un unico processo anziché gestirli uno alla volta. Meccanismi come questo possono portare a dei vantaggi sostanziali in termini di qualità e velocità delle performance rispetto ai computer tradizionali. Il fatto che i computer quantistici siano ad oggi così rari è dovuto al fatto che controllare in modo preciso singoli sistemi quantistici per eseguire computazioni è in generale molto difficile. Sono necessari dispositivi sofisticati come speciali circuiti elettronici che diventano superconduttori, manifestando effetti quantistici, se raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto.
Il gruppo di ricerca di cui lei fa parte ha l’opportunità di utilizzare un computer quantistico. Ce ne può parlare?
Io faccio parte del gruppo di Informazione e Computazione Quantistica del Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell’Informazione (DISI). Recentemente abbiamo lavorato a un approccio ibrido che accoppia computazione quantistica e computazione classica per migliorare le performance di uno specifico tipo di computer quantistico, detto quantum annealer. Il nostro gruppo di ricerca ha ottenuto l’accesso all’utilizzo di una macchina di questo tipo, mediante il Jülich Supercomputing Center in Germania, presentando un progetto di implementazione della tecnica da noi sviluppata in via teorica.
Qual è lo scopo di questa ricerca e quali sono gli istituti coinvolti?
Come computer quantistico, il quantum annealer presenta la capacità di risolvere direttamente solo una certa classe di problemi e questo ne limita l’utilizzo. D’altro canto è possibile “forzare” la macchina a risolvere problemi più generali ma capire come farlo può essere molto complicato, tanto da rendere poco utile la disponibilità di un quantum computer di questo tipo.
Lo scopo della nostra ricerca è utilizzare le risorse quantistiche della macchina stessa per creare un meccanismo di apprendimento attraverso il quale il quantum computer possa “capire” in autonomia il modo per risolvere un dato problema, in generale più complesso di quelli per cui è stato originariamente progettato. In due lavori con Enrico Blanzieri (DISI) e Valter Cavecchia (CNR-IMEM), pubblicati sulle riviste Quantum Information Processing e Quantum Machine Intelligence, abbiamo presentato la dimostrazione matematica del funzionamento di questa tecnica e alcune simulazioni, ma ora è necessaria una validazione empirica. Questo è l’obiettivo del nostro progetto che ci vede coinvolti a fianco dell’Istituto dei Materiali per l’Elettronica e il Magnetismo (CNR-IMEM) e dell’agenzia aerospaziale tedesca (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt).
Qual è il contributo di UniTrento al progetto?
Noi di UniTrento abbiamo coordinato la collaborazione fra gli istituti coinvolti ed elaborato l’idea teorica che ci apprestiamo a validare sulla macchina reale. Inoltre, abbiamo inserito nel progetto anche due studenti del corso di laurea triennale in Informatica tramite tirocinio interno, Andrea Bonomi e Thomas de Min. Questi giovani stanno dando un contributo attivo e rappresentano un valore aggiunto per il progetto. Abbiamo così deciso di sfruttare la possibilità di accedere al computer quantistico per rafforzare l’offerta didattica del nostro Dipartimento nell’ambito delle tecnologie quantistiche. Vorrei però precisare che l’interesse verso il quantum computing al DISI non è limitato al nostro gruppo di ricerca e si esprime anche tramite il lavoro di colleghi di altri gruppi, come Roberto Sebastiani e Giovanni Iacca.
Improving the performance of quantum computers
Research teams of the University of Trento are using one of the few functioning quantum computers in the world
by Marinella Daidone
Quantum computing may be one of the fields of study from which a true scientific and technological revolution will emerge. To date, however, there is only a small number of functioning quantum computers in the world. One of these is used by the Department of Information Engineering and Computer Science (DISI) of the University of Trento for its research work.
To find out more, we talked to Davide Pastorello, researcher at DISI and member of the research group in Quantum Information and Computing, which is coordinated by Enrico Blanzieri.
The emergence of quantum technologies seems like a true revolution for research: can you tell us what that is about?
In general, the term "quantum technologies" is used to refer to a scientific and technological field that has developed in recent years, and which applies quantum phenomena that characterize the microscopic world (such as entanglement, a type of correlation that does not have a classical analogue) to find practical technological solutions in many areas such as telecommunications, computing, cryptography, sensors.
Actually, quantum mechanics led to technological innovations like transistors and laser beams as early as the mid-twentieth century. But the quantum technologies we are referring to are those based on the concept of "quantum information". For example, the first prototypes of quantum computers have recently been developed. The field is extremely interdisciplinary, with research teams composed of theoretical and experimental physicists, computer scientists, mathematicians and engineers. See for example the Q@TN project, the joint laboratory established by UniTrento, CNR and FBK, which involves various UniTrento departments including DISI, and was established to coordinate local research activities for the development of quantum technologies.
What is the difference between a quantum computer and an ordinary computer, and why are there so few functioning quantum computers in the world?
A quantum computer processes information by operating directly on the physical states of individual quantum systems. For example, given a set of data represented by the electronic states of confined and controlled ions, we can put them in quantum superposition and process them through a single processing rather than process them one at a time. Mechanisms like this can bring substantial advantages in terms of quality and speed of performance over traditional computers. The reason why quantum computers are so rare today is because controlling individual quantum systems to perform computations is generally very difficult. This type of computer requires sophisticated devices, such as special electronic circuits that become superconductors and can manifest quantum effects when cooled to temperatures close to absolute zero.
The research group you are part of has the opportunity to use a quantum computer. Can you tell us something about this?
I am a member of the Quantum Information and Computing group of the Department of Information Engineering and Computer Science (DISI). Recently, we have worked on a hybrid approach that combines quantum and classical computation to improve the performance of a specific type of quantum computer, called quantum annealer. Our research group has been given access to a machine of this type through the Jülich Supercomputing Center in Germany, by presenting a project for the implementation of the technique we have theoretically developed.
What is the purpose of your research work and which organizations are involved?
As a quantum computer, the quantum annealer has the ability to directly solve only a certain class of problems and this limits its use. On the other hand, it is possible to "force" the machine to solve more general problems but understanding how to do it can be very complicated, so much so that the availability of a quantum computer of this type may not be very useful.
The purpose of our research work is to use the quantum resources of the machine to create a learning mechanism through which the quantum computer can autonomously "understand" how to solve a given problem, a problem which in general is more complex than those for which it was originally designed. In two papers I co-authored with Enrico Blanzieri (DISI) and Valter Cavecchia (CNR-IMEM), which were published in Quantum Information Processing and Quantum Machine Intelligence, we presented the mathematical demonstration of how this technique works and provided some simulations, but now our theory must be empirically validated. That is the goal of our project, which also involves the Institute of Materials for Electronics and Magnetism (CNR-IMEM) and the German aerospace agency (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt).
What is the contribution of UniTrento to the project?
Our role as researchers of UniTrento is to coordinate the different participating institutes and to make the most of this collaboration; besides, we have developed the theory that we are about to validate on the real machine. We have included in the project two undergraduate students of the three-year degree program in Computer Science, Andrea Bonomi and Thomas de Min, through an internal internship program. These young students are making an important contribution and represent an added value to the project. We are using the access to the quantum computer as a way to strengthen the opportunities that our Department can offer to its students in the area of quantum technologies. However, the interest for quantum computing at DISI is not limited to our research group and also involves colleagues from other research groups, like Roberto Sebastiani and Giovanni Iacca.
[Traduzione Paola Bonadiman]