La computazione quantistica è una delle tecnologie più discusse degli ultimi anni e l’idea di costruire sistemi di calcolo basati sui fenomeni della fisica quantistica continua ad alimentare aspettative enormi. Eppure il quantum computing resta lontano dall’essere una tecnologia matura. Non soltanto perché molti problemi scientifici devono ancora essere risolti, ma anche perché, al momento, manca una filiera industriale in grado di produrre in modo scalabile, e a costi sostenibili, l’hardware necessario a far funzionare un computer quantistico.
Come si può immaginare, costruire un hardware simile è molto complesso. Servono materie prime rare, chimica avanzata, sistemi criogenici sofisticati, ottica di precisione e componenti prodotti da un numero ristretto di aziende specializzate.
Il problema fondamentale è che un computer quantistico non deve semplicemente “calcolare”. Deve riuscire a “mantenere in vita” stati fisici estremamente fragili e utilizzarli per il calcolo. La grande promessa del quantum computing – sfruttare fenomeni quantistici come la sovrapposizione e l’entanglement per eseguire operazioni impraticabili per i computer tradizionali – dipende infatti dalla capacità di isolare gli effetti quantistici dalle interferenze del mondo esterno. Il problema, come anticipato anche da Heisenberg, è che gli stati quantistici sono incredibilmente instabili. Basta pochissimo per distruggerli: una vibrazione microscopica, una minima interferenza elettromagnetica, una variazione termica impercettibile. Questo significa che la prima e principale sfida da affrontare per produrre un computer quantistico è quella di costruire una specie di guscio che isoli il processo di calcolo dal “rumore” dell’ambiente esterno.
La sfida del freddo
Una delle interferenze più difficili da controllare è il calore. Per questo molti computer quantistici – in particolare quelli basati su circuiti superconduttori, una delle architetture oggi più sviluppate da aziende come IBM e Google — operano a temperature vicinissime allo zero assoluto, inferiori persino a quelle dello spazio profondo. Per raggiungerle servono sofisticati sistemi criogenici chiamati dilution refrigerator (refrigeratore a diluizione): strutture metalliche, simili a candelabri barocchi, che sono diventate una delle immagini simbolo del quantum computing.
Uno degli elementi chiave per il funzionamento di questi refrigeratori è invece l’elio-3. Rarissimo sulla Terra, l’elio-3 è un isotopo in proporzione più abbondante sulla superficie lunare, dove si è accumulato per miliardi di anni a causa del bombardamento del vento solare. I depositi di elio-3 diffusi nella regolite lunare alimentano da decenni miti tecnologici su future miniere sulla Luna che oggi, nell’era del “capitalismo spaziale”, paiono meno fantascientifici di un tempo. E del resto si può facilmente immaginare come un eventuale aumento della domanda di questo isotopo, connessa alla crescita del quantum computing, potrebbe rendere ancora più allettante l’avvio di attività estrattive lunari. Nell’attesa, gran parte dell’elio-3 disponibile sul nostro pianeta deriva indirettamente dal decadimento del trizio prodotto nei vecchi programmi nucleari militari, creando così un cortocircuito tra una tecnologia di frontiera e i residui industriali della guerra fredda.
Questa dipendenza da materie prime estremamente specializzate rende la filiera dei refrigeratori a diluzione molto fragile. A produrre queste macchine, infatti, sono pochissime aziende al mondo. La finlandese Bluefors, per esempio, è diventata in pochi anni uno dei principali fornitori dell’industria quantistica globale, ma anche uno degli snodi più delicati dell’intera catena produttiva. Se oggi si osserva la struttura industriale del quantum computing, ci si accorge infatti che il settore assomiglia meno all’industria informatica classica e più a un ecosistema di nicchie iperspecializzate, dove pochi attori controllano componenti essenziali e difficilmente sostituibili.
Una pluralità di approcci
Un ulteriore problema del quantum computing è che, almeno per ora, non esiste un’unica architettura dominante. Coesistono approcci diversi, ciascuno dei quali richiede infrastrutture, materiali e competenze specifici. Se i computer quantistici basati su circuiti superconduttori richiedono criogenia avanzata, i computer quantistici basati sugli “ioni intrappolati” dipendono invece da laser ad altissima stabilità, vuoto ultra-spinto e componenti fotonici delicatissimi. Altri approcci ancora – come quelli basati sui qubit fotonici o sugli atomi neutri (atomi privi di carica elettrica controllati tramite laser) – richiedono invece fibre e circuiti ottici a bassissima perdita, sorgenti luminose avanzate, specchi e cavità ottiche ad altissima qualità e, in alcuni casi, dispositivi microfabbricati costruiti con tolleranze estremamente ridotte.
Questo significa che, al momento, non esiste una singola frontiera industriale del quantum, ma molte frontiere sovrapposte. Per certi versi, la situazione ricorda alcune fasi iniziali dell’elettronica e dell’informatica del dopoguerra, quando convivevano tubi a vuoto, relè, transistor, memorie magnetiche e soluzioni architetturali diverse. Al tempo, l’industria elettronica era quindi un ecosistema frammentato, popolato da soluzioni incompatibili e processi produttivi difficili da standardizzare. La crescita esplosiva del settore arrivò solo quando emersero componenti, architetture e processi produttivi condivisi, capaci di trasformare dispositivi sperimentali in prodotti scalabili. È una lezione storica importante anche per il quantum computing.
Oggi il settore si trova ancora in una fase pre-standardizzazione: nessuno sa davvero quale architettura diventerà dominante, quali materiali saranno indispensabili o quali componenti potranno essere prodotti industrialmente su larga scala. E finché questa convergenza non avverrà, la computazione quantistica rischia di rimanere in un limbo “proto-industriale”, in cui ogni laboratorio tende a costruire il proprio ecosistema tecnologico come una specie di artigianato scientifico avanzatissimo.
Il problema del talento
La conseguenza di questo fatto è che molti processi produttivi necessari dipendono dall’esperienza accumulata da piccoli gruppi di tecnici altamente specializzati e sono, al momento, difficili da riprodurre serialmente.
La costruzione di un refrigeratore a diluzione, per esempio, richiede tecnici capaci di assemblare manualmente sistemi criogenici estremamente delicati, minimizzando vibrazioni, dispersioni termiche e impurità microscopiche. Si tratta di processi che dipendono ancora da forme di conoscenza pratica accumulate negli anni più che da standard industriali codificati. Dinamiche simili esistono anche nel campo dei semiconduttori avanzati e della litografia estrema. ASML, l’azienda olandese che produce le macchine EUV utilizzate per realizzare i chip più sofisticati al mondo, dipende a sua volta da una rete ristrettissima di fornitori iper-specializzati che, a loro volta, si avvalgono dell’esperienza di pochissimi “super-esperti” in singoli problemi tecnici altamente specifici.
Il vero collo di bottiglia “industriale” della computazione quantistica non riguarda solo le macchine, i materiali o la fisica, ma anche – e forse soprattutto – la disponibilità di talento tecnico adeguato alla portata della sfida produttiva che il quantum computing rappresenta. Per costruire un computer quantistico non basta infatti disporre di buoni fisici teorici o di eccellenti ingegneri. Serve la capacità di integrare competenze molto rare e diverse tra loro: criogenia estrema, scienza dei materiali, ottica avanzata, microfabbricazione, elettronica a radiofrequenza, software di controllo, vuoto ultra-spinto, chimica ultrapura. E soprattutto serve farlo in modo coordinato, continuo e riproducibile. La vera difficoltà non è solo inventare una tecnologia funzionante, ma costruire una massa critica di persone capaci di trasformarla in un sistema industriale.
Per questo il futuro “industriale” del quantum computing è anche un gigantesco problema di scala umana. Non basta avere qualche centinaio di ricercatori eccellenti sparsi nel mondo accademico. Affinché la tecnologia diventi industriale servono migliaia di tecnici, ingegneri e operatori altamente qualificati distribuiti lungo filiere produttive estremamente sofisticate (un fatto che la Cina sembra aver compreso prima di tutti). Servirà cioè trasformare competenze oggi quasi artigianali in capacità industriali diffuse.
La scienza alla base di tecnologie importanti può certamente nascere da un piccolo gruppo di persone eccezionalmente dotate, ma un’industria richiede la capacità di riprodurre sistematicamente quel livello di competenza su larga scala. Ancora una volta ci si può rivolgere alla storia della microelettronica per capirlo. Il vero salto nella produzione seriale di hardware informatici non avvenne infatti quando un gruppo di pionieri ai Bell Labs inventò i transistor, ma quando gli Stati Uniti cominciarono a formare enormi quantità di ingegneri in grado di capire come funzionavano e come si potevano migliorare transistor e circuiti integrati.
In questo senso la vera sfida per il futuro della computazione quantistica non è soltanto costruire una macchina capace di funzionare. È costruire le condizioni industriali, economiche e umane per trasformare una tecnologia sperimentale fragile in un’infrastruttura produttiva stabile.
Accedi
