I dati dominano il mondo. Tutte le organizzazioni pubbliche e private raccolgono informazioni dal mondo reale e le traducono in dati, che devono essere organizzati, processati e memorizzati per risolvere problemi e supportare processi decisionali.
Queste operazioni richiedono un costo computazionale sempre maggiore, basti pensare che alcuni problemi hanno un numero di possibili soluzioni maggiore del numero di atomi presenti nell’universo. Ed è per questo motivo che i computer quantistici sono una vera rivoluzione.
Quali sono i vamtaggi del computer quantistico?
Un computer quantistico oggi impiega 16 minuti per computare ciò che un dispositivo classico elabora in 11 ore; infatti, mentre per il primo il tempo computazionale cresce pressappoco linearmente all’aumentare delle variabili, per il secondo aumenta esponenzialmente.
Questa velocità di calcolo è dovuta al passaggio dal bit dei computer classici, che può essere alternativamente 0 o 1, al qubits, che può essere pari a 0, 1 o entrambi contemporaneamente, grazie alle leggi della meccanica quantistica. Gli ambiti di applicazione del quantum computing sono innumerevoli e comprendono, per citarne alcuni, medicina, finanza, logistica, chimica, scienza dei materiali, machine learning ed energia.
Cos'è il quantum inspired computing
Nonostante il quantum computing non sia ancora una tecnologia matura, offre già oggi nuove opportunità attraverso il quantum inspired computing, ovvero algoritmi rivisti in ottica di quantum computing ma implementabili su cluster di GPU. Questo approccio può essere utilizzato in due modi principali:
- Algoritmi quantistici ispirati: questi algoritmi funzionano su computer classici, ma la loro logica si basa sull’emulazione di vari fenomeni quantistici, a differenza dell’approccio binario e deterministico della computazione tradizionale.
- Modelli ibridi: questi modelli consentono ai computer classici di lavorare insieme ai computer quantistici.
Un esempio nel settore dell’energia è Q-BEAT, ovvero la formulazione del problema di dispacciamento degli operatori di campo (Workforce Management) sviluppata da Enel. Prendendo come riferimento l’algoritmo euristico attualmente utilizzato, Q-BEAT ha garantito una riduzione maggiore del 20% del tempo di spostamento rispetto al tempo di intervento degli operatori, e la sua esecuzione su un cluster standard di GPU è stata 18 volte più veloce.
In Enel stimano che utilizzando l’opportuna potenza di calcolo quantistico si potrà ridurre di 500 volte il tempo computazionale a parità di qualità dei risultati.
Innovazioni nel settore energetico
Altri esempi concreti riguardano la scelta ottimale dei siti per impianti eolici e fotovoltaici, la creazione di batterie per la mobilità elettrica con maggiore capacità, lo sviluppo di catalizzatori per la produzione di combustibili alternativi e la simulazione in tempo reale delle smart grid. In particolare, la penetrazione crescente delle fonti rinnovabili non programmabili, quali eolico e fotovoltaico, complica la gestione del bilanciamento delle potenze e della qualità del servizio della rete elettrica.
La possibilità di prevedere in modo sempre più accurato la disponibilità di energia solare ed eolica e al contempo l’andamento della domanda permetterebbe di programmare meglio le risorse, coordinare lo stoccaggio di energia e aumentare l’efficienza dell’intera filiera.
Questo è fattore abilitante imprescindibile per le fonti rinnovabili. Krysta M. Svore, general manager di Microsoft Quantum, ha affermato che sono già in fase di sviluppo codici quantum inspired destinati alla simulazione delle smart grid e allo unit commitment. Svore vede “un grande potenziale in aree che portano a combustibili più puliti, riduzione delle emissioni ed efficienza energetica”; infatti, Microsoft ha recentemente rilasciato Azure Quantum, un ecosistema pubblico per spingere lo sviluppo e la ricerca.
Che impatto hanno i computer quantici sull'ambiente?
I computer quantistici potrebbero anche ridurre il consumo energetico dell’economia digitale. Oggi i data center che reggono il mondo digitale coprono circa il 10% del fabbisogno di energia elettrica globale e la maggior parte dei moderni supercomputer classici impiega una potenza compresa tra 1,000 e 10,000 kW. Vern Brownell, CEO di D-Wave Systems, afferma che a parità di potenza di calcolo un computer quantistico impiegherà solo 25 kW: minore sarà il tempo computazionale, minore sarà il consumo energetico, il quantum computing segna un altro punto a suo favore. Ovviamente per reggere questi ritmi, dovranno essere progettati utilizzando materiali particolari, come il diamante nero.
Come mai un computer quantico consuma poco?
Un computer quantistico consumerà così poco grazie al suo principio di funzionamento. Esso deve essere isolato dall’ambiente circostante e tenuto a temperature pari a quelle del vuoto interstellare. In queste condizioni, il funzionamento del processore quantistico richiede una piccola frazione di 1 microWatt, che è dunque trascurabile rispetto alla potenza richiesta dal refrigeratore e dai server, come confermato da Colin Williams, direttore del Business Development & Strategic Partnerships di D-Wave Systems. Infatti, il nuovo D-Wave 2X installato presso il Quantum AI Lab di Google ha all’incirca raddoppiato i qubits rispetto al suo predecessore senza incrementare significativamente i consumi. Per questo, “la potenza totale del sistema rimarrà più o meno costante ancora per le prossime generazioni”, afferma Williams.
Sulla giusta strada
Il quantum computing è davvero promettente, ma siamo soltanto agli albori e sono necessari investimenti pubblici e privati per lo sviluppo della tecnologia, la creazione di nuovi linguaggi di programmazione e la formazione di esperti del settore. ExxonMobil ha firmato un accordo con IBM per sviluppare la prossima generazione di tecnologie energetiche e manifatturiere grazie al quantum computing, mentre Dubai Electricity and Water Authority ha avviato una collaborazione con Microsoft per la gestione delle fonti energetiche in tempo reale.
Europa, Stati Uniti e Cina hanno investito rispettivamente 2.4, 1.2 e 10 miliardi di USD nel quantum computing. Nessuno vuole restare indietro nella corsa ai computer quantistici, perché promettono di realizzare quello che oggi è il sogno di un futuro sostenibile.
