Il Quantum Computing rappresenta un nuovo paradigma computazionale che promette di rivoluzionare settori cruciali come medicina, finanza, sicurezza informatica e cambiamento climatico, affrontando problemi oggi irrisolvibili per i computer tradizionali. Dal 2012 a oggi sono stati allocati oltre 50 miliardi di dollari in finanziamenti pubblici per le tecnologie quantistiche, con 7 miliardi destinati al solo 2025. Il 2025 segna inoltre un punto di svolta: per la prima volta i capitali privati registrano una crescita esplosiva, con 9,3 miliardi di dollari raccolti dalle aziende quantum-native, superando l’intero cumulato dei cinque anni precedenti. Questa accelerazione è trainata principalmente dalle quotazioni in borsa: il 63% dei fondi raccolti nel 2025 deriva da finanziamenti Post-IPO. Numerose nazioni hanno già adottato strategie nazionali dedicate, consapevoli che questa tecnologia rappresenta un fattore determinante per la competitività economica e la sicurezza nazionale del futuro.
Il 2025, proclamato dalle Nazioni Unite “Anno Internazionale delle Scienze e Tecnologie Quantistiche”, ha rappresentato il Quantum Shift: il passaggio da ambito quasi esclusivamente accademico a priorità di politica industriale. L’Unione Europea ha varato la sua prima strategia quantistica unitaria con l’ambizione di raggiungere la leadership globale entro il 2030, superando la frammentazione che ha caratterizzato gli anni precedenti. È atteso per il 2026 il Quantum Act, che definirà il quadro normativo comune.
Sono dunque molteplici gli sforzi di ricerca pubblica e privata stanno accelerando lo sviluppo in tale ambito, nonostante la maturità delle tecnologie quantistiche sia ancora lontana. È fin da ora necessario sensibilizzare le aziende sui possibili rischi e benefici della tecnologia, promuovendo una maggiore sinergia tra ricerca e industria per accelerare il percorso verso applicazioni concrete e commercializzabili. Il primo passo in questo percorso è comprendere cos’è il Quantum Computing, come funziona un computer quantistico e come si sta muovendo il nostro Paese per favorire la ricerca in tale ambito. Proveremo a farlo all’interno di questa guida, realizzata con il contributo delle analisi dell’Osservatorio Quantum Computing & Communication della School of Management del Politecnico di Milano, punto di riferimento precompetitivo sul Quantum Computing e sulla Quantum Communication in Italia.
Il Quantum Computing, che in italiano significa “calcolo quantistico”, è un sistema computazionale (di calcolo) basato sulla manipolazione attiva degli stati quantistici della materia per l’elaborazione di informazioni. Il Quantum Computing consente così di elaborare simultaneamente enormi quantità di informazioni e di esplorare molteplici soluzioni in parallelo.
Il concetto di Quantum Computing è dunque estremamente complesso, poiché si basa su tecnologie (e scienze) diverse da quelle tradizionali. Detto ciò, per comprendere appieno il significato di Quantum Computing, facciamo un passo indietro e introduciamo ciò che sta alla base del computer quantistico, ossia il termine Quantum.
Il termine “Quantum” ha origine nel contesto della fisica dell’inizio del Novecento, con la nascita della meccanica quantistica, e rappresenta l’idea fondamentale che l’energia non è continua, ma viene emessa o assorbita in piccole quantità discrete chiamate “quanti”. Il termine “Quantum” deriva dal latino e significa appunto “quanto“, inteso come la più piccola quantità indivisibile di energia, e più in generale di una certa grandezza.
Questa scoperta ha rivoluzionato la fisica classica, dando il via alla prima rivoluzione quantistica e con essa allo sviluppo di tecnologie rivoluzionarie (come il transistor e il laser). La seconda rivoluzione quantistica, iniziata negli anni ’80, ha spostato l’attenzione sulla capacità di manipolare direttamente le proprietà di singole particelle quantistiche – come atomi, fotoni ed elettroni – attraverso principi quali l’entanglement e la sovrapposizione degli stati, che vedremo a breve. Questa nuova fase ha trasformato ulteriormente la tecnologia, aprendo la strada a innovazioni come i computer quantistici e la crittografia quantistica.
Nel 1980 il fisico Paul Benioff suggerisce di utilizzare la meccanica quantistica per l’esecuzione dei calcoli attraverso un computer. L’anno seguente Richard Feynman, premio nobel per la fisica, conia il termine “Quantum computer”, con la celebre citazione:
“Nature isn’t classical, dammit, and if you want to make a simulation of Nature, you’d better make it quantum mechanical”
Dagli anni ’80 a oggi, start-up, grandi aziende e governi di tutto il mondo hanno iniziato a investire nella fisica quantistica applicata alla computazione per la realizzazione del Quantum computer. Realizzare la visione di Feynman è una delle grandi sfide che la scienza e la tecnologia del XXI secolo devono affrontare.
Per capire come funziona la computazione quantistica, è però necessario un accenno alla fisica quantistica, e in particolare ai già citati principi di sovrapposizione degli stati e dell’entanglement.
Nel Quantum Computing i principi di sovrapposizione degli stati e entanglement (letteralmente “intreccio”) sono proprietà intrinseche, spesso difficili da comprendere per chi come noi è abituato al mondo macroscopico regolato dalle leggi della fisica classica. Pur essendo controintuitive, però, queste proprietà sono fondamentali per la descrizione della realtà a livello microscopico, atomico o subatomico, in cui agiscono le leggi della meccanica quantistica, e la fisica classica risulta inadeguata. Numerosi esempi ed esperimenti mentali, come il celebre gatto di Schrödinger, sono stati proposti per rendere più intuitivi questi concetti. Tuttavia, dobbiamo ricordare che tali proprietà rimangono profondamente quantistiche e non possono essere pienamente spiegate attraverso le leggi del mondo classico, sfidando le nostre convenzioni e il nostro modo di pensare.
Il paradosso del gatto di Schrödinger è un esperimento concettuale che immagina un gatto in una scatola, insieme a un meccanismo contenente del veleno. Il meccanismo ha la stessa probabilità di rompersi e liberare il suo contenuto, avvelenando così il gatto, tanto quanto di restare chiuso. Fintanto che la scatola rimarrà chiusa, noi all’esterno non saremo a conoscenza dello stato del gatto, che potrà essere vivo o morto. Solo nel momento in cui apriremo la scatola potremo scoprire il suo stato.
Secondo il paradosso del gatto di Schrödinger, l’animale, prima di essere osservato, è sia vivo sia morto allo stesso tempo.
Per comprendere il concetto di sovrapposizione (o superposizione) degli stati nel mondo quantistico potremmo pensare di avere una moneta e metterla in rotazione. Mentre ruota, questa avrebbe una certa probabilità di assumere testa e una certa probabilità di assumere croce. Finché non la osserviamo cadere, la moneta non si trova né in uno stato né nell’altro, bensì in una condizione di sovrapposizione, come se fosse in entrambi gli stati contemporaneamente. Solo nel momento in cui andremo a osservarla, la moneta ricadrà in uno dei due stati: testa o croce.
Come la moneta è contemporaneamente sia testa sia croce, così anche una particella quantistica può trovarsi in più stati quantistici contemporaneamente, ovvero in una sovrapposizione di stati, finché non la si osserva.
Per comprendere cos’è l’entanglement, proponiamo un esempio simile al precedente, ma con due monete: mentre la sovrapposizione degli stati riguarda lo stato di una singola particella, l’entanglement riguarda lo stato di due o più particelle quantistiche legate tra loro. Supponiamo quindi di avere due amici che hanno due monete, una d’oro e una di rame. Casualmente e senza guardarle, ne prendono una ciascuno; poi uno parte e va ai confini dell’universo. Appena uno dei due guarderà la propria moneta saprà istantaneamente quale moneta ha l’altro, senza il bisogno di osservarla.
Come le monete, anche due o più particelle quantistiche possono formare un sistema unificato per il quale misurare una particella fornisce istantaneamente informazioni sull’altra, anche nel caso in cui le due particelle siano molto distanti tra loro. Il termine “entanglement”, infatti, significa letteralmente “groviglio”, “intreccio”, e indica come le proprietà della singola parte siano intrecciate con le proprietà delle altre e non sia possibile districarle.
Il principale limite dell’analogia classica risiede nel fatto che, in un sistema classico, le proprietà delle due monete (ad esempio, oro e rame) preesistono all’osservazione, mentre in ambito quantistico le particelle si trovano inizialmente in una sovrapposizione di stati e l’esito del processo di misura si determina solo nel momento stesso dell’osservazione.
Non tutte le particelle sono “entangled”. Un esempio tipico di particelle entangled sono i fotoni – le unità fondamentali della luce – che possono essere generati in particolari processi fisici, risultando in un certo senso delle particelle “gemelle”, con proprietà interdipendenti.
Il Quantum Computing rappresenta oggi una delle innovazioni tecnologiche più promettenti del nostro tempo, con il potenziale di rivoluzionare il modo in cui affrontiamo problemi complessi. Esistono, infatti, problemi estremamente complessi nei quali i computer tradizionali mostrano dei limiti, come la simulazione di molecole e composti chimici per la scoperta di nuovi farmaci o l’ottimizzazione di sistemi con milioni di variabili, come nel caso della logistica.
Per risolvere tali problemi, i computer tradizionali richiedono mesi o anni per giungere a una soluzione esatta, e spesso siamo costretti a ricorrere a soluzioni approssimate, adottando algoritmi e metodi che forniscono soluzioni subottimali, accettando compromessi tra accuratezza e tempo di calcolo. Con l’avvento dei computer quantistici, tuttavia, questo scenario potrebbe cambiare radicalmente.
Compresi i principi alla base del Quantum Computing e alcuni concetti fondamentali della fisica quantistica, proviamo ora a spiegare come funziona un computer quantistico attraverso un altro semplice esempio.
Supponiamo che un computer classico debba trovare il percorso corretto per uscire da un labirinto. In questo caso dovrebbe procedere per tentativi, andando a destra o a sinistra a ogni biforcazione, tornando indietro in caso di errore e ricominciando finché non si arrivi all’uscita del labirinto. Con il Quantum Computing, proprio grazie alla sovrapposizione, il computer quantistico può andare contemporaneamente sia a destra che a sinistra a ogni bivio, trovando la strada corretta nel minor tempo possibile.
Con la sovrapposizione degli stati non sono il tempo di elaborazione del sistema è più veloce, ma, soprattutto, diminuiscono le operazioni necessarie per arrivare a un determinato risultato.
In questo scenario i computer quantistici possono potenzialmente aprire innumerevoli opportunità per risolvere problemi complessi che oggi sono irrisolvibili, offrendo nuove possibilità in campi scientifici e industriali.
Il qubit (o bit quantistico) è l’unità di misura dell’informazione quantistica, ovvero l’analogo quantistico di un bit classico. A differenza del bit tradizionale, che può assumere solo valore 0 e 1 – come una moneta può essere solo testa o croce – il qubit grazie ai principi di sovrapposizione degli stati ed entanglement della meccanica quantistica può assumere valore 0, 1 o una combinazione lineare di 0 e 1, passando da una misura deterministica a una probabilistica: come la moneta che, grazie al principio di sovrapposizione degli stati, mentre ruota ha una certa probabilità di assumere testa e una certa di assumere croce.
Il computer quantistico è un calcolatore che si fonda sull’utilizzo del bit quantistico, o qubit, a loro volta basati sulla manipolazione degli stati quantistici della materia per elaborare informazioni. Grazie al principio di sovrapposizione degli stati e di entanglement, il sistema quantistico può elaborare più input nello stesso momento, riducendo il numero di operazioni necessarie per ottenere un certo risultato. Ciò produce un’accelerazione: idealmente, se il computer classico può realizzare N operazioni con N bit, un computer quantistico con N qubit può realizzarne 2n e quindi può essere 2n volte più veloce. Ciò porta a un aumento della capacità computazionale che su alcuni tipi di problemi può essere esponenziale, aprendo la strada per la risoluzione di problemi complessi finora irrisolvibili.
I campi di applicazione di un computer quantistico sono innumerevoli, e vanno dall’ottimizzazione alla simulazione, fino al Machine Learning. In ambito medico, ad esempio, il computer quantistico potrà simulare rapidamente e in modo preciso le molecole e i composti chimici e il loro impatto sull’organismo, accorciando notevolmente le tempistiche, ad esempio, di scoperta di un nuovo farmaco. Grazie al Quantum Computing sarà anche possibile esplorare dataset di grandi moli di dati riguardanti le malattie e trovare terapie personalizzate da sottoporre ai pazienti in modo rapido. Lo stesso principio vale per il cambiamento climatico: il Quantum computer consentirà di simulare nuovi materiali in grado di ridurre l’impatto delle industrie sull’ambiente, ad esempio catturando l’anidride carbonica. O ancora, nell’ambito dei trasporti si potranno trovare soluzioni per ridurre i tempi di percorrenza e di attesa negli aeroporti e nelle stazioni e si potranno ottimizzare percorsi e processi logistici.
Tuttavia, dall’iniziale ricerca della Supremazia Quantistica, in cui si cerca di risolvere con un computer quantistico uno use case non traguardabile con quello classico, oggi gli sforzi stanno cambiando direzione: si lavora per la Quantum Utility, con l’obiettivo di individuare casi concreti in cui il Quantum Computing possa offrire un’utilità pratica. In questo scenario, la disponibilità di prototipi in Cloud, che permettono di eseguire piccoli test e verificare la correttezza della formulazione dei problemi, sta accelerando la realizzazione di progetti sperimentali.
Viste le potenzialità del Quantum Computer, dobbiamo forse aspettarci che questo sostituisca il computer tradizionale? In realtà no. Il Quantum Computer non sostituirà il computer tradizionale, ma punterà piuttosto a integrarlo per risolvere problemi complessi solo dove essi mostrano dei limiti. È essenziale, infatti, valutare caso per caso la natura del problema da risolvere e capire se esiste un algoritmo quantistico che potrebbe portare dei vantaggi.
Nonostante le aspettative elevate, la piena maturità delle tecnologie quantistiche è ancora lontana. Il Quantum computer è attualmente una tecnologia ancora in fase prototipale e per il suo sviluppo sarà centrale il superamento di alcune sfide legate all’affidabilità delle componenti e alla correzione degli errori, aree oggi ancora sotto ricerca e sviluppo.
Inoltre, il computer quantistico è estremamente sensibile all’ambiente esterno: se perturbato, perderebbe le sue proprietà quantistiche (proprio come la moneta che, se venisse banalmente colpita dal vento durante la sua roteazione, assumerebbe lo stato “classico” di testa o croce). Ogni errore comporterebbe notevoli difficoltà nel mettere insieme un numero di qubit tale da poter essere usato su larga scala. È dunque necessario prima di tutto isolare i computer quantistici (ad esempio ponendoli in ambienti a temperature molto basse, più basse della temperatura dello spazio); allo stesso tempo, però, è fondamentale controllarli e misurarli. Allo stato attuale siamo infatti ancora limitati dalla decoerenza, ossia dalla perdita di informazioni quantistiche dovute alle perturbazioni con l’ambiente.
Nonostante i progressi, ci vorranno anni prima che riusciremo ad avere un hardware quantistico e un numero di qubit sufficiente a risolvere problemi su scale di nostro interesse. A oggi i primi prototipi di computer quantistici funzionano con centinaia o migliaia di qubit, anche se in realtà servirebbero computer dell’ordine di centinaia di migliaia o milioni di qubit. Nel frattempo, alcune aziende stanno sperimentando approcci di breve termine, ad esempio approcci di tipo “quantum inspired” usando algoritmi aventi un approccio quantistico eseguiti su computer tradizionali.
La roadmap per ottenere un computer quantistico su larga scala è quindi in rapido progresso e si avvicina il momento in cui le imprese saranno chiamate a valutarne gli impatti.
Lo sviluppo dell’hardware rappresenta oggi il principale campo di battaglia competitivo. Europa e Stati Uniti contano un numero comparabile di attori attivi (31 contro 27), ma il divario nei capitali raccolti è netto: le aziende americane attraggono risorse circa sei volte superiori rispetto alle europee. Nel 2025, il 91% dei fondi privati globali è confluito verso player focalizzati sull’hardware, con tre sole aziende statunitensi – IonQ, Quantum Computing Inc. e PsiQuantum – che hanno attratto il 64% del totale. In Europa emerge IQM (Finlandia) come protagonista di uno dei round più significativi dell’anno.
Il Quantum Computing è una tecnologia innovativa e ancora in gran parte da scoprire. Eppure, si stanno già delineando approcci differenti a questo nuovo tipo di computazione. I principali sono il Gate Model Quantum Computing e il Quantum Annealing.
Nel Gate Model Quantum Computing si opera per passi discreti, e il suo funzionamento è simile a quello dell’informatica tradizionale: in un computer classico il funzionamento è basato su una serie di porte logiche (gate), che realizzano operazioni sequenziali sui bit all’interno di un circuito. All’interno di un computer quantistico, le porte logiche diventano porte quantistiche (Quantum gate), che realizzano operazioni sequenziali su qubit all’interno di circuiti quantistici.
Attraverso il Gate Model Quantum Computing, dato un certo insieme di operazioni logiche di base, è possibile risolvere qualsiasi tipo di problema. L’algoritmo di Shor per rompere la crittografia RSA e l’algoritmo di Grover per la ricerca in un database disordinato, per esempio, si basano proprio su questo modello.
Nonostante le potenzialità, il Gate Model Quantum Computing è molto sensibile all’ambiente esterno e, di conseguenza, è particolarmente soggetto a errori quantistici.
Accanto alle startup quantum-native, le Big Tech americane stanno accelerando con investimenti rilevanti non registrati nelle statistiche pubbliche. Google, Amazon AWS, Microsoft e IBM si sono distinte nel 2025 per iniziative strategiche e annunci di grande portata. Parallelamente, sono state pubblicate 21 roadmap tecnologiche da diversi attori, segnalando una fase di maggiore trasparenza. Tuttavia, persiste una forte eterogeneità nei KPI adottati e nei livelli di maturità dichiarati, rendendo difficile confrontare i progressi reali.
L’algoritmo di Shor è una pietra miliare nell’informatica quantistica, ideato da Peter Shor nel 1994. Questo algoritmo consente di fattorizzare numeri interi in modo estremamente più veloce rispetto ai migliori algoritmi classici conosciuti. Fattorizzare indica la capacità di trovare i fattori primi di un numero intero, ed è il principio alla base di diversi sistemi di crittografia, come quella RSA. Quest’ultima, infatti, si basa proprio sulla difficoltà di fattorizzare numeri molto grandi.
L’algoritmo di Grover è stato ideato nel 1996 da Lov Grover per ricercare informazioni all’interno di un database disordinato. L’algoritmo permette infatti di trovare un elemento specifico all’interno di un database non ordinato in modo significativamente più veloce rispetto ai metodi classici.
Ora invece vediamo come funziona il Quantum Annealing. Diversamente dal Gate Model Quantum Computing, questo modello opera per passi continui, e sfrutta la tendenza dei sistemi fisici a raggiungere lo stato di energia minima. Se si codifica un problema di ottimizzazione in termini di questo panorama energetico, lo stato finale del sistema sarà anche la soluzione al problema.
A differenza del gate model, il Quantum Annealing non può risolvere qualsiasi tipo di problema. L’annealer è infatti adatto a risolvere solo un determinato tipo di ottimizzazione noto come QUBO (acronimo di Quadratic Unconstrained Binary Optimization). In questa categoria rientrano diversi algoritmi di ottimizzazione, difficilmente risolvibili con l’informatica tradizionale. L’esempio più noto è il problema del commesso viaggiatore, che consiste nel trovare il percorso più breve per visitare tutte le città una sola volta e tornare al punto di partenza.
Il modello annealing ha una maggiore capacità adattiva rispetto al Gate Model Quantum Computing e questa qualità ha permesso lo sviluppo di sistemi quantistici di dimensioni più significative.
A partire dai primi anni 2000, il Quantum Computing ha iniziato ad attirare l’attenzione di startup, scale-up e grandi aziende, dando vita a un ecosistema in continua espansione.
Ad esempio, nel 2007, la startup canadese D-Wave, pioniera del Quantum Annealing, ha lanciato un chip quantistico che, secondo le sue dichiarazioni, era in grado di risolvere puzzle di Sudoku sfruttando le proprietà quantistiche. Dieci anni dopo, nel 2017, la startup Rigetti Computing ha inaugurato il proprio stabilimento dedicato alla produzione di computer quantistici.
Oltre a startup e scaleup, anche le Big Tech si stanno muovendo in questo ambito. IBM, tra le aziende più attive nel settore, è stata una delle pioniere del Quantum Computing e, nel 2016, ha reso disponibili in Cloud alcuni dei suoi prototipi di processori quantistici, con l’obiettivo di accelerare la sperimentazione e l’adozione della tecnologia. Nel 2019, Google ha annunciato di aver raggiunto la supremazia quantistica, dimostrando che il suo processore quantistico Sycamore poteva eseguire in pochi minuti un calcolo che avrebbe richiesto migliaia di anni a un supercomputer classico.
Anche i governi di tutto il mondo hanno iniziato a investire nel Quantum Computing e, più in generale, nelle Quantum Technologies. Paesi come Regno Unito, Francia e Germania hanno sviluppato Strategie Nazionali dedicate, con l’obiettivo di promuovere la Ricerca, favorire l’industrializzazione e sviluppare competenze in questo ambito, investendo miliardi di dollari con orizzonti anche decennali. Le istituzioni europee e italiane hanno mostrato un forte interesse, come dimostrato dall’iniziativa europea della Quantum Flagship, lanciata nel 2018, che mira a portare le scoperte più promettenti del calcolo quantistico sul mercato.
Oggi lo scenario internazionale del Quantum Computing risulta in crescita. L’Osservatorio Quantum Computing & Communication ha fotografato il mercato dell’offerta guardando ad aziende, startup e scale-up attivi nell’ambito lungo tutto lo stack tecnologico, dall’hardware e dalle sue componenti abilitanti, alle piattaforme di sviluppo e agli ambienti middleware, fino al software e agli algoritmi.
L’ecosistema continua a espandersi con centinaia di attori lungo tutto lo stack tecnologico. A livello di adozione aziendale, tra le 200 aziende più grandi al mondo secondo Forbes, il 55% ha già attivato iniziative quantum nel 2025 (contro il 44% dell’anno precedente). Complessivamente, sono stati mappati 307 annunci pubblici di progetti da parte di 191 aziende, con il 44% dei casi che presenta già risultati preliminari. I settori più dinamici restano finance (25%) e healthcare (20%), seguiti da energy-utility e telco (13%). Spicca JP Morgan con un piano decennale da 1,5 trilioni di dollari che include il Quantum Computing tra le tecnologie strategiche per la sicurezza economica.
Inoltre, l’Osservatorio a livello internazionale ha mappato gli annunci pubblici di progetti sul Quantum Computing, per un totale di 303 progetti a livello internazionale. Tra i settori più prolifici troviamo quello finanziario, il chimico-farmaceutico, i settori telco e IT.
Il 2025 ha segnato una svolta per l’Italia con il varo della Strategia Nazionale per le Tecnologie Quantistiche, frutto di un lavoro interministeriale che ha coinvolto MUR, MIMIT, il Dipartimento per la Transizione Digitale, il Ministero della Difesa, il Ministero degli Affari Esteri e l’Agenzia per la Cybersicurezza Nazionale. Questo allineamento con i principali Paesi europei è arrivato dopo l’impulso iniziale del PNRR, che ha promosso sinergie tra università e imprese.
L’ecosistema italiano resta giovane ma con alcune eccellenze. La mappatura condotta dal MIMIT con l’Osservatorio mostra solo 3 aziende quantum-native nel Computing che hanno raccolto 56 milioni di euro in due anni, contro i 235 milioni raccolti da 6 aziende francesi. Emergono però punti di forza nella comunicazione quantistica, nella fotonica e nel Quantum Software, oltre al primo spin-off del Sud Europa specializzato in Quantum Sensing. A novembre è previsto il lancio presso La Sapienza di un computer quantistico fotonico, che si aggiunge al sistema superconduttivo dell’Università di Napoli Federico II (già a 24 qubit). Il polo di Torino si è dotato di hardware superconduttore acquistato da IQM, mentre il Cineca ospiterà due nuovi sistemi da integrare con l’HPC nazionale.
Significativo il recente finanziamento di 41,5 milioni di euro a Ephos, startup milanese selezionata nell’ambito del Chips Act per la produzione di chip fotonici. Tuttavia, con la chiusura dei fondi PNRR ormai vicina, emerge un nodo critico: i 200 milioni di euro annui per cinque anni previsti dalla strategia nazionale non sono ancora stati stanziati. Garantire continuità alle iniziative avviate, con obiettivi chiari e fondi stabili, sarà determinante per consolidare l’ecosistema.
Due iniziative pubbliche istituite alla fine del 2022 grazie ai fondi del PNRR hanno permesso all’Italia di muovere i primi passi per la creazione di un ecosistema nazionale sulle Tecnologie Quantistiche: la costituzione del Centro Nazionale HPC, Big Data e Quantum Computing e del Partenariato esteso National Quantum Science and Technology Institute (NQSTI). Essi hanno portato a un investimento pubblico nella ricerca sulle Quantum Technologies di oltre 140 milioni di euro allocati nell’arco di tre anni.
Il Centro Nazionale HPC, Big Data e Quantum Computing, con un budget totale di 320 Milioni di euro, è uno dei cinque Centri Nazionali istituiti dal PNRR con l’obiettivo di promuovere la creazione di una rete di collaborazione tra centri di ricerca, università e aziende sul tema del Supercalcolo in un modello Hub & Spoke. Lo Spoke 10 – di cui il Politecnico di Milano è leader –, con un budget di 30 Milioni, è dedicato alla computazione quantistica e presenta tre linee di lavoro che corrono lungo tutto lo stack tecnologico: dallo sviluppo dell’hardware, allo sviluppo di software quantistico per algoritmi e applicazioni scientifiche e industriali.
Il partenariato esteso National Quantum Science and Technology Institute (NQSTI) con un budget totale di 116 Milioni in tre anni, è uno dei 14 partenariati istituiti dal PNRR e interessa 20 istituzioni, tra università, centri di ricerca e aziende. Il Partenariato si occupa di ricerca fondamentale, ovvero caratterizzata da un Technology Readiness Level (TRL)[1] basso (da 1 a 4) sulle Quantum Science, anche in questo caso con un modello Hub and Spoke.
Nonostante l’avvio di queste iniziative sia un segnale positivo, complessivamente, si tratta però di risorse di scala e durata non paragonabili ad altri Paesi europei: si passa dai fondi italiani dell’ordine del centinaio di milioni di euro sulle tecnologie quantistiche in un orizzonte di 3 anni, a fondi di altri Paesi europei per miliardi di euro stanziati su 5-10 anni. Un esempio è la Germania con oltre 3 miliardi di euro stanziati dal 2018 al 2028. Per accrescere l’ecosistema italiano e renderlo competitivo, è necessaria una strategia sul lungo termine che dia continuità ai fondi e fornisca obiettivi coordinati, in sinergia con quelli europei.
1. Il Technology Readiness Level (TRL), o Livello di Maturità Tecnologica, indica una metodologia per la valutazione del grado di maturità di una tecnologia. È basato su una scala di valori da 1 a 9, dove 1 è il più basso (definizione dei principi base) e 9 il più alto (sistema già utilizzato in ambiente operativo).
Nonostante l’avvio di queste iniziative sia stato un segnale positivo, persistono criticità strutturali. L’assenza di startup affermate nello sviluppo di hardware quantistico è legata anche a un disallineamento tra i venture capitalist italiani e le esigenze specifiche del settore quantistico, che richiede orizzonti di investimento più lunghi e capitali più consistenti rispetto ad altri ambiti tech. Le risorse italiane – centinaia di milioni su 3 anni – restano non paragonabili ad altri Paesi europei: la Germania ha stanziato oltre 3 miliardi di euro dal 2018 al 2028.
I principi quantistici di sovrapposizione degli stati ed entanglement che abbiamo illustrato all’interno di questa guida sono sì alla base del Quantum Computing, ma sono anche alla base di tutte le tecnologie quantistiche. Queste ultime possono avere obiettivi anche molto diversi tra loro, dall’accelerare la capacità computazionale, come abbiamo visto, fino al garantire sicurezza assoluta delle comunicazioni.
Oltre al Quantum Computing, le tecnologie quantistiche vengono solitamente suddivise in altre tre grandi aree d’applicazione:
I Quantum Simulation (o simulatori quantistici) possono essere considerati come versioni analogiche dei computer quantistici, appositamente dedicati alla riproduzione del comportamento di sistemi complessi a livello molecolare e atomico, dove i fenomeni quantistici si manifestano e danno origine a proprietà straordinarie.
Il loro principale vantaggio rispetto ai computer quantistici è che i simulatori quantistici non richiedono il controllo completo di ogni singolo componente e sono quindi più semplici da costruire. Questa capacità può essere cruciale per avanzare in campi come la chimica, la fisica dei materiali e la biologia.
Un esempio di applicazione potrebbe essere lo studio dei materiali superconduttivi ad alte temperature. La comprensione di questo fenomeno potrebbe portare alla creazione di materiali in grado di condurre elettricità senza perdite ad alte temperature, con applicazioni nell’energy storage and distribution.
La Quantum Communication (comunicazione quantistica), in un’era in cui la sicurezza delle informazioni è cruciale, potrebbe rivoluzionare il modo in cui gestiamo e proteggiamo i dati a livello globale, offrendo un livello senza precedenti di sicurezza e integrità per la loro trasmissione. La Quantum Communication consente infatti di creare canali di comunicazione che sono intrinsecamente sicuri contro l’intercettazione. Qualsiasi tentativo di spiare o alterare le informazioni trasmesse altererebbe inevitabilmente lo stato quantistico, rendendo immediatamente rilevabile l’intrusione.
La Quantum Communication consiste in reti di comunicazione basate su principi fisici quantistici. Nella comunicazione quantistica, il principio di entanglement gioca un ruolo importante: i qubit possono essere intrecciati tra loro, consentendo agli stati quantistici delle particelle di essere correlati a grandi distanze. Un’altra proprietà dei qubit è che non possono essere copiati con un’identica superposition. Di conseguenza, qualsiasi tentativo di intercettare, leggere e inoltrare una comunicazione basata su qubit è rintracciabile confrontando gli stati dei qubit ricevuti con gli stati dei qubit inviati. La comunicazione quantistica è quindi potenzialmente immune da interferenze esterne, a condizione che mittente e ricevente possano identificarsi reciprocamente in modo affidabile.
Ciò apre la strada allo scambio e all’elaborazione dei dati in modo fondamentalmente sicuro, conferendo alla comunicazione quantistica un potenziale straordinario per applicazioni in ambiti sensibili, come la sicurezza nazionale, la protezione dei dati finanziari e la privacy delle comunicazioni personali. Tuttavia, la trasmissione a lunga distanza dei qubit non è semplice. Per affrontare questo problema, si stanno compiendo sforzi per sviluppare speciali ripetitori quantistici.
Un altro concetto spesso trattato insieme alla Quantum Communication, ma che in realtà si basa su leggi classiche, è quello della crittografia post-quantistica.
La crittografia post-quantistica si riferisce a un campo emergente della sicurezza informatica progettato per proteggere i dati dalle minacce future rappresentate dai computer quantistici. Questo sistema mira a sviluppare nuovi algoritmi di cifratura utilizzabili sui computer classici che siano resistenti agli attacchi di potenziali computer quantistici, garantendo così la sicurezza e l’integrità dei dati anche nel presente e nel futuro.
Il Quantum computer, proprio per la loro promessa di risolvere problemi complessi a una velocità senza precedenti, pongono infatti un rischio significativo per gli attuali algoritmi crittografici, come quelli basati su RSA – utilizzata ad esempio nei protocolli di comunicazione su Internet e nelle firme digitali – che potrebbero diventare vulnerabili agli attacchi quantistici. Il 13 agosto 2024, il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha ufficialmente rilasciato i suoi primi standard di crittografia post-quantistica.
La crittografia post-quantistica non si pone quindi in contrapposizione alla Quantum Communication, quanto piuttosto in modo complementare, proponendo soluzioni che possano essere utilizzate in modo sinergico.
Il Quantum Sensing (o sensori quantistici) e la Quantum Metrology (o metrologia quantistica) sono tecnologie avanzate che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica per effettuare misurazioni estremamente precise, superando di gran lunga le capacità degli strumenti tradizionali.
I sensori quantistici sono strumenti in grado di osservare variazioni nell’ambiente, come variazioni di temperatura, radiazione, accelerazione, tempo (orologi) e campi elettrici o magnetici. A differenza dei sensori classici, questi sensori si basano su fenomeni quantistici, come l’entanglement, per rilevare le variazioni minime in grandezze fisiche come il tempo, i campi magnetici e la temperatura. I sensori quantistici sono anche capaci di una risoluzione estremamente elevata, il che significa che possono misurare strutture minuscole, come il DNA. La Quantum Metrology utilizza sensori quantistici per definire gli standard, come la misurazione del tempo o le misure elettriche.
La necessità di misure così precise è fondamentale in applicazioni critiche, come la navigazione di veicoli autonomi o sottomarini, dove anche piccole deviazioni nelle misurazioni possono portare a errori significativi. Un altro esempio di applicazione è nel campo medico, dove il Quantum Sensing può rivoluzionare l’imaging diagnostico. Ad esempio, i sensori quantistici possono essere utilizzati per creare immagini ad alta risoluzione del cervello, permettendo di rilevare con estrema precisione variazioni nei campi magnetici associati all’attività neuronale. Questo potrebbe portare a diagnosi più accurate di condizioni come l’Alzheimer o l’epilessia, consentendo ai medici di intervenire tempestivamente.
Contenuti suggeriti dell’Osservatorio Quantum Computing & Communication
