C’è una soluzione quantistica alla transizione energetica?

Atomi di rubidio vengono lanciati dentro una grande “camera a ultra-alto vuoto” - un ambiente che riproduce condizioni simili a quelle dello spazio cosmico - e poi intrappolati, spostati e manipolati da un sofisticato sistema di pinze e raggi laser, fino a ottenere la configurazione desiderata. E a questo punto possono cominciare le operazioni.

Quella che potrebbe sembrare la scena di un film di fantascienza, è in realtà il cuore molto reale di un computer quantistico: una delle tante configurazioni possibili di questa tecnologia in grande ascesa. Ma la cosa davvero sorprendente è che questo ambiente di frontiera tra fisica, scienze informatiche e ingegneria potrebbe custodire le risposte che stiamo cercando sul fronte della transizione energetica.

“I computer quantistici sono in grado di affrontare problemi complessi in modi profondamente diversi rispetto ai computer tradizionali, trovando soluzioni a cui oggi non siamo in grado di arrivare”, spiega Stefano Lodi, professore al Dipartimento di Informatica - Scienza e Ingegneria dell’Università di Bologna. “E questa loro caratteristica dirompente può essere applicata a molti problemi che oggi ci troviamo ad affrontare sul fronte del risparmio energetico e delle energie rinnovabili”.

I problemi della transizione

Dalla necessità di batterie sempre più efficienti alla gestione di reti elettriche sempre più articolate e complesse, le tante sfide aperte della transizione energetica ci mettono infatti di fronte a problemi che i computer tradizionali non sono in grado di gestire, se non attraverso semplificazioni e lunghi processi di prova ed errore. Se però proviamo a considerare questi stessi problemi guardando alle potenzialità dei computer quantistici, lo scenario cambia radicalmente.

La prospettiva potrebbe sembrare futuristica, ma in realtà è legata a tecnologie che in questi anni stanno crescendo in modo rapido. Tanto che la European Energy Research Alliance (EERA) – la più grande rete europea di ricerca sull'energia pulita e a basse emissioni – ha descritto nel dettaglio in un white paper le possibili applicazioni della computazione quantistica per risolvere i diversi problemi della transizione energetica.

“Fino a quando la produzione di energia veniva realizzata principalmente con i combustibili fossili, la gestione era possibile con strumenti di calcolo tradizionali. Oggi però non possiamo più permetterci questo modello, e ci troviamo davanti a problemi molto complessi, che i computer quantistici potrebbero aiutarci a risolvere”, conferma il professor Lodi: è stato proprio lui a coordinare la stesura del white paper di EERA.

NOX e SOL

A confermarlo è anche Sara Marzella, responsabile del Quantum Computing Lab del Cineca, che in questi mesi sta supervisionando l’installazione di due computer quantistici al Tecnopolo di Bologna.

“Lo scenario delle possibilità associate ai computer quantistici è ancora in via di definizione: le macchine attuali sono sistemi sperimentali e nei prossimi anni ci sarà molto da scoprire”, dice. “Quello che sappiamo già oggi, però, è che queste tecnologie hanno le potenzialità per arrivare a risolvere problemi estremamente complessi, come possono essere i problemi di ottimizzazione della distribuzione di energia, soprattutto se parliamo di energie rinnovabili”.

La grande “camera a ultra-alto vuoto” che abbiamo visto, con gli atomi di rubidio manipolati da pinze laser, non è altro che il cuore di SOL, uno dei due computer quantistici arrivati poche settimane fa a Bologna. SOL è un sistema “ad atomi neutri”, mentre il suo compagno – chiamato NOX – è un computer “a superconduttori” e “gate based”, che utilizza porte logiche quantistiche per manipolare i qubit (ovvero i bit quantistici) e risolvere problemi complessi.

L'arrivo di NOX al Tecnopolo di Bologna è interamente finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca (MUR) tramite ICSC, il Centro Nazionale di ricerca in HPC, Big Data and Quantum Computing, nato con il PNRR, di cui l'Università di Bologna è partner. SOL, invece, è stato finanziato per metà dal MUR tramite ICSC e per metà da EuroHPC JU, l'impresa comune europea per il calcolo ad alte prestazioni.

Dentro il labirinto

Per avere un’idea delle capacità di queste tecnologie, possiamo immaginare di trovarci all’interno di un labirinto e dover cercare l’uscita. Se fossimo da soli, saremmo costretti a provare una direzione alla volta fino a trovare la strada giusta: è l’equivalente di risolvere un problema di questo tipo con un computer tradizionale. Se all’interno del labirinto fossimo più persone, magari dotate di walkie-talkie per comunicare in tempo reale, potremmo dividerci in più direzioni e trovare più rapidamente l’uscita. Questa ipotesi equivale ad affrontare un problema complesso con un supercomputer. Ma se guardiamo lo stesso problema con un computer quantistico, lo scenario cambia radicalmente: sarebbe come se una sola persona avesse la possibilità di esplorare tutte le strade del labirinto simultaneamente.

È questo ribaltamento di prospettiva che sta portando molti studiosi a immaginare le tante possibili applicazioni delle tecnologie quantistiche sul fronte dell’energia. Una di queste è la ricerca nel campo dei nuovi materiali, che si lega a stretto filo allo sviluppo di batterie più efficienti.

“Lo sviluppo di nuovi materiali richiede di poter realizzare simulazioni di problemi di dinamica molecolare”, spiega Marzella. “Con i computer tradizionali siamo oggi in grado di fare simulazioni con approssimazioni molto avanzate, mentre con un computer quantistico abbastanza potente potremmo fare simulazioni esatte: questo significherebbe semplificare e velocizzare molto i processi di sperimentazione in laboratorio”.

Poi c’è l’altro grande problema legato alla transizione energetica: la gestione delle reti elettriche. Perché la produzione di energia rinnovabile non è sempre costante, perché i punti di produzione (che siano impianti fotovoltaici o parchi eolici) sono sempre più numerosi, perché l’energia prodotta può essere subito utilizzata oppure stoccata all’interno di batterie.

“Con l’introduzione delle energie rinnovabili c’è un enorme incremento della complessità di gestione delle reti elettriche e nascono quindi problemi di ottimizzazione molto difficili da risolvere”, dice Stefano Lodi. “Si passa da sistemi che gestiscono l’energia prodotta da decine o centinaia di centrali alla necessità di dover considerare molte migliaia di diversi punti di produzione dell’energia: sono condizioni oggi difficili da calcolare con i sistemi classici e che si potrebbero gestire molto meglio con un computer quantistico”.

Ma quanto consumano?

A questo punto sorge però una domanda: ma questi computer quantistici quanta energia consumano? I grandi progressi che stiamo vedendo sul fronte dei sistemi di intelligenza artificiale si accompagnano a grandi preoccupazioni per i costi energetici e ambientali dei data center che servono ad alimentarli. Non c’è il rischio che lo stesso problema possa emergere anche con i computer quantistici? In altre parole: risolvere i problemi della transizione energetica con questi sistemi è davvero vantaggioso dal punto di vista ambientale?

“È ancora presto per poter dare una risposta definitiva, perché a parte rarissimi casi oggi non siamo ancora in grado di ottenere risultati applicabili a livello industriale con i computer quantistici”, spiega Sara Marzella. “Ma ci aspettiamo di arrivare ad ottenere questo vantaggio tra costi e risultati: rispetto ai supercomputer, ci aspettiamo che i computer quantistici consumeranno molto di meno. Se riuscissimo ad esempio ad ottimizzare questa tecnologia per la gestione di alcune parti degli algoritmi di intelligenza artificiale, sarebbe già un risultato vincente”.

Anche Stefano Lodi, su questo punto, è ottimista: “La questione è sicuramente aperta e ci sono molti gruppi di ricerca che lavorano sull’ottimizzazione energetica: si tratta di risolvere problemi principalmente fisico-ingegneristici. Ma considerando i risultati che potremmo ottenere con l’utilizzo di queste tecnologie al loro massimo potenziale, credo che il vantaggio diventerà evidente”.

Soluzioni ibride

Nel frattempo – come nel passaggio dalle auto a combustione a quelle elettriche – si stanno sviluppando soluzioni ibride, accoppiando supercomputer e computer quantistici. In questo scenario, la tecnologia quantistica funziona come un acceleratore di determinati passaggi del problema da risolvere.

“Quella dell’integrazione tra i due sistemi è decisamente la soluzione ideale oggi”, conferma Lodi. “L’obiettivo è sviluppare algoritmi attraverso cui il problema viene affrontato senza soluzione di continuità sia dal supercomputer che dal computer quantistico”.

La strada, insomma, sembra segnata, e i computer quantistici potrebbero darci una grossa mano nel complesso panorama della transizione energetica. Per arrivarci serve ancora tanta ricerca di base, servono degli ambienti virtuali in cui testare le potenzialità di questa tecnologia, servono il sostegno delle istituzioni e dei partner industriali, e servono studentesse e studenti che abbiano voglia di mettersi in gioco in questo campo di frontiera.

“Per fare passi avanti con i computer quantistici abbiamo bisogno di rompere le regole”, conferma Sara Marzella. “Le nostre menti sono molto plasmate dalla fisica classica e dalla computazione classica: abbiamo bisogno di menti fresche, che sappiano lavorare con la meccanica quantistica e che possano pensare a nuovi algoritmi”. “Dobbiamo investire tanto nella formazione, e l’Università di Bologna lo sta facendo”, aggiunge Stefano Lodi. “Dobbiamo lavorare per formare i computer scientist di domani e gli ingegneri informatici di domani: ne abbiamo assolutamente bisogno”.