Super computer e computer quantistici, cosa sono e perché l'Europa investe nello sviluppo

La forza dell’invisibile

Iniziamo dai Super Computer, perché già esistono e sono operativi. Con il progresso della tecnologia quelli che una volta potevano essere considerati super calcolatori ora ce li troviamo tra le mani tutti i giorni e li chiamiamo smartphone. I chip, i semi-conduttori che li fanno funzionare stanno diventando sempre più piccoli e la loro potenza e capacità di calcolo crescono in maniera inversamente proporzionale alla loro dimensione che diventa sempre più ridotta. Lo spessore di un chip si misura in nanometri (10^-9 metri). Attualmente un chip degli smartphone dei brand piú famosi è di 5 nanometri. Per avere un’idea forse un po’ più chiara, se compariamo lo spessore di un chip a un microbo, un microbo è come se fosse un grattacielo di cento piani. È stato annunciato che, molto presto, la nuova generazione di chip sarà di appena 3 nanometri. Questa progressiva miniaturizzazione dell’elettronica spiega fra l’altro perché l’intelligenza artificiale è ora un tema di discussione e non lo era dieci anni fa. Negli ultimi mesi, infatti, abbiamo assistito ad un’evoluzione esponenziale di questi microchip. Ora, se un nostro telefono o un nostro pc portatile possono già essere considerati delle macchine complesse con un’enorme capacità di calcolo, quanto sono più potenti quelli che chiamiamo supercalcolatori? Per rispondere ancora una volta dando un’idea plastica e comprensibile per tutti, si può immaginare che un supercomputer attuale equivalga ad una montagna di laptop alta 1200 metri. Un supercalcolatore ha quindi una capacità paragonabile all’azione sommata e contemporanea di decine di migliaia di pc di ultima generazione. I supercalcolatori sono macchine che hanno milioni di processori. Gli stessi processori che ci aiutano nella quotidianità con i nostri telefonini, ma in quantità esponenziali. E la loro abilità è quella di svolgere simultaneamente miliardi di complicatissimi calcoli. Svolgono un lavoro enorme dividendosi i compiti e portandoli a termine contemporaneamente.

Dalla serie C alla Coppa del Mondo

Fino a qualche anno fa, l’Europa si trovava al quarantesimo posto nella classifica mondiale dei super calcolatori, era praticamente in serie C. Come spesso capita, il motivo era che i paesi investivano molto solo al livello nazionale con programmi di super calcolo ma non avevano una strategia comune. Dopo la creazione di EuroHPC Joint Undertaking in Lussemburgo, incaricata di gestire l’acquisto dei super calcolatori in Europa, le cose sono cambiate. Ora ciascun Stato Membro investe metà dei soldi, mentre l’altra metà viene messa dall’Unione Europea. Così, in pochi anni, l’Europa è passata dalla serie C a giocarsi la Coppa del Mondo e ad avere due tra i primi quattro super calcolatori esistenti nel pianeta: Frontier negli Stati Uniti, Fugaku in Giappone, Lumi in Finlandia e Leonardo in Italia.

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A cosa servono i super computer?

A questo punto la domanda è inevitabile. A cosa servono questi super calcolatori. O meglio, dando per scontato che ormai un computer può essere utilissimo per un’infinità di cose che è superfluo stare ad elencare, per cosa sono utilizzati maggiormente questi supercomputer? La risposta potrebbe risultare deludente o banale. Potremmo dire infatti che sono utilissimi per… le previsioni del tempo. L’importanza della capacità di predire futuri fenomeni atmosferici è spesso sottovalutata e va oltre l’utilità quotidiana di sapere se dobbiamo o meno uscire con l’ombrello. Le previsioni riguardano invece tanti settori, la sicurezza del trasporto aereo, quella dei cittadini per avvisarli dal sopraggiungere di eventi meteorologici estremi, soprattutto in Italia che sembra sempre più esposta ad eventi catastrofici come dimostrano gli ultimi tragici acadimenti in Emilia Romagna. Conoscere il clima è fondamentale per la programmazione e la pianificazione di attività od opere pubbliche. L’obiettivo è quello di arrivare ad una situazione in cui saremo capaci non solo di prevedere un evento pericoloso ma anche di calcolarne perfettamente le conseguenze. È per questo che tornano centrali quelle realtà di cui abbiamo parlato nella scorsa puntata: i gemelli digitali. Gemelli virtuali creati digitalmente di persone, del clima, di territori, di mezzi meccanici. I supercomputer servono appunto ad adoperare, mettere in funzione e rendere utili simulando comportamenti e situazioni, i gemelli digitali. I calcolatori ad altissima capacità riescono a tenere in considerazione modelli estremamente complessi e a calcolare un’infinità di eventi causa effetto. Per dirlo in maniera semplice sono in grado di analizzare una realtà complessa in tanti piccoli cubetti e su ogni cubetto compiono una serie di calcoli. Oltre alle previsioni del tempo, un altro campo di utilizzo dei super calcolatori è quello della creazione di nuovi materiali o nuovi farmaci. Lo si fa passando al setaccio le molecole di un dato materiale o oggetto di analisi per poi studiarne funzioni, proprietà e comportamenti. Gli usi sono tantissimi nell’industria farmaceutica, in quella chimica ed anche in quella degli idrocarburi. Ad esempio, l’Eni utilizza i super calcolatori per le ricerche nel sottosuolo. L’Intelligenza Artificiale di cui ora si parla così spesso dipende in grandissima parte dalla potenza di questi super computer. Programmi come ChatGPT richiedono, per funzionare, macchine molto complicate come quelle di cui stiamo parlando. Sono calcolatori che non sanno solo programmare, ma sono sempre più in grado di generare a loro volta dei programmi.

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Il potere infinito dei quanti

Ma un super computer diventa un mini calcolatore se passiamo a parlare dei nuovi computer quantistici. Per continuare il nostro paragone, se i supercalcolatori sono l’equivalente delle Coppa del Mondo della tecnologia, i computer quantistici cui si sta lavorando in Europa e nel mondo appartengono al campionato intergalattico. Parliamo di un’altra realtà, infinitamente più complessa e potenzialmente più capace di quella dei computer, anche dei più potenti attualmente esistenti. Circa cento anni fa si sviluppò in Europa la fisica quantistica. Questa di fatto descriveva il mondo dell’infinitamente piccolo. Scopriva che l’energia era costituita da tante particelle elementari dette quanti che potevano comportarsi sia come granelli di una realtà sia come onde continue. Visto che Niels Bohr diceva che se uno pensa di aver capito la fisica quantistica, vuol dire che non ha capito niente, noi non vogliamo e non possiamo qui dare alcuna spiegazione scientifica del come funziona e del perché delle sue proprietà.  Vogliamo solo dirvi che i quanti hanno due caratteristiche particolari che tornano utili a chi vuole creare calcolatori. La prima è la cosiddetta sovrapposizione di stati: finché non vengono osservarti da un occhio esterno due fenomeni possono essere, o meglio, sono sia positivi che negativi, sia bianchi che neri, sia vivi che morti. La seconda proprietà è quella dell’entanglement (la parola piú vicina in italiano è intrecciamento). Una coppia di particelle si muove all’unisono, come due danzatrici di nuoto sincronizzato, anche a migliaia di chilometri di distanza. Cosa c’entra tutto ciò con i computer? Beh, negli anni Ottanta due scienziati hanno cominciato a pensare che queste proprietà bizzarre, sovrapposizione e intrecciamento, fossero utili al calcolo.

I Computer di cui abbiamo parlato prima e i nostri telefoni ragionano in bit (ovvero in 1 e 0). E questo è anche il limite del digitale, il dover ridurre la realtà a dei bit. I calcolatori quantistici invece non funzionano esattamente così. Se paragoniamo il comportamento dei quanti ancora alle atlete del nuoto sincronizzato, vediamo che queste non hanno solo una coppia di movimenti come i bit, o 1 o 0, ma ruotano, possono spostarsi dentro a fuori dall’acqua, oppure sovrappongono le loro rotazioni o le intrecciano con altre atlete. I calcolatori quantistici, quindi, sono in grado di creare una rappresentazione estremamente complessa della realtà, fatta di numeri complessi che ci dà infinite più possibilità di quelle di un pur potentissimo normale computer. Il calcolo quantistico insomma apre delle strade imperscrutabili. Per essere chiari, un computer quantistico può essere in grado di compiere in una manciata di secondi calcoli che il più avanzato dei super computer impiegherebbe migliaia di anni a fare. Siamo ancora all’inizio dell’epoca di questo tipo di calcolatori.  Ancora si parla di Supremazia Quantistica per definire la capacità degli scienziati di far funzionare un computer quantistico utilizzando le sue enormi possibilità per battere in maniera schiacciante i supercalcolatori adesso esistenti. Google nel 2019 e successivamente altri gruppi di ricerca hanno dichiarato di aver ottenuto prestazioni superiori dai computer quantistici per la soluzione di problemi molto specifici, altri hanno contestato il rusultato ma siamo comunque ancora all’inizio di un lungo viaggio. Non siamo ancora in grado di utilizzare un computer quantisco per qualsiasi tipo di problema come facciamo con i supercalcolatori, non ne conosciamo ancora tutte le implicazioni e gli aspetti tecnologici.

L’Europa, culla della fisica quantistica, ha ancora un pedigree di assoluta eccellenza: due dei tre premi Nobel della fisica di quest’anno sono stati assegnati a due scienziati europei proprio per il contributo sui calcolatori e le trasmissioni quantistiche. L’Europa lavora al primato mondiale su un’ obiettivo che appare alla portata: creare una macchina ibrida tra super calcolatore e una macchina quantistica nel 2025. Si potranno fare progressi rapidi su questo. Si potranno usare le macchine quantistiche, come acceleratori dei calcolatori esistenti per determinati tipi di problemi.  In prospettiva già possiamo immaginare verso dove andremo. Molto probabilmente presto un computer quantistico sarà in grado di avvicinarsi molto al comportamento di un cervello umano e forse sarà in grado di riprodurlo. L’emulazione e la mappatura del nostro cervello ha come obiettivo lo sviluppo della medicina moderna, ad esempio la cura di malattie degenerative, ma vuole anche comprendere come il cervello riesce a fare il compito eccezionale di ragionare e sintetizzare informazioni.  Sarà importante però riuscire a controllare un simile sviluppo tecnologico e non rimanerne vittime. Se ben utilizzato, un progresso simile ci consentirà di collaborare, se così possiamo dire, con i nostri aiutanti quantistici. L’uomo e la macchina potranno ragionare molto più in simbiosi e perfezionare infinitamente un processo utile che già avviene. Il processo per cui la macchina fa il calcolo e noi utilizziamo il risultato ottenuto e ci mettiamo del nostro.

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