Perché serve una strategia quantum italiana

Il presidio italiano nel campo delle tecnologie di frontiera (deep tech) sarà determinante per lo sviluppo del Paese. La crisi pandemica ha evidenziato la straordinaria importanza di una tecnologia già nota, i semiconduttori, componenti fondamentali di un’economia sempre più digitalizzata in uno spettro sempre più ampio di settori, soprattutto quelli strategici. La più recente diffusione delle soluzioni basate sull’intelligenza artificiale (IA), resa quanto mai evidente dalla ribalta delle applicazioni di IA generativa, ha già fatto intuire il potenziale rivoluzionario di questa tecnologia – a sua volta fondata sulla capacità di calcolo garantita dai semiconduttori – e le immense ripercussioni che comporta nella dimensione industriale, economica, medico-sanitaria, sociale, accademica, militare e non solo.

Si può pensare a supercalcolo e IA come a moltiplicatori di forza tecnologici dell’attività umana, motivo per cui è imprescindibile non rimanere indietro rispetto a una tecnologia che promette di rendere obsoleto il concetto di potenza di calcolo odierno, riscrivere i fondamentali della cyber-sicurezza e il panorama delle telecomunicazioni. Si tratta delle tecnologie quantistiche. I primi ad adottare le tecnologie quantistiche potranno potenzialmente sfruttare le capacità di calcolo, ad esempio agendo su applicazioni come il controllo delle telecomunicazioni e la rete Internet, delle transazioni finanziarie e delle applicazioni di IA con una capacità predittiva che promette di essere molto superiore alle tecniche attuali, una vera supremazia tecnologica.

Di conseguenza la maggior parte dei Paesi più influenti sullo scacchiere geopolitico ha da tempo definito, implementato e finanziato una strategia nazionale per le tecnologie e la computazione quantistica, per attrarre e crescere talenti, favorire l’ecosistema di ricerca e sviluppo e mantenere un presidio in un campo così strategico. Agli Stati Uniti, che furono i primi a definire una roadmap del calcolo quantistico (nel 2004) e poi una strategia, si affiancano Canada, Australia, Olanda, Irlanda, Regno Unito, Francia, Germania, Cina, Giappone e Danimarca.

Verso una Quantum strategy italiana

In questo senso si rende imperativo lo sviluppo di una Quantum strategy italiana, costruendo sulle basi delle iniziative finanziate in ambito Pnrr ed europeo. La prima urgenza è quella di sopperire alla mancanza di una visione strategica che possa far confluire gli sforzi delle singole realtà italiane attive nel settore verso uno sforzo sistemico a favore del Paese. I dividendi più immediati di una Strategia quantum possono essere le ricadute positive sul tessuto economico, generate dalla richiesta di materiali avanzati, area in cui il nostro Paese si sta ponendo all’avanguardia. Sul lungo termine si prospetta lo sviluppo di un ecosistema di talenti e know-how tecnologico che possa intercettare le potenzialità dello sviluppo delle tecnologie quantistiche, integrando queste attività in una filiera nazionale.

L’obiettivo è non dipendere dagli altri in merito alle tecnologie quantistiche e conseguire un vantaggio economico, in modo da metterle al servizio degli apparati statali e della società e sfruttare a dovere la crescita della quantum economy, contribuendo al contempo a consolidare l’ecosistema geopolitico di riferimento. Il campo delle tecnologie quantistiche si suddivide in quattro macro-aree: la computazione quantistica (quantum computing), che ruota attorno a un paradigma di calcolo informatico basato sulle leggi della meccanica quantistica; le comunicazioni quantistiche (quantum communications), una branca che riguarda il trasferimento di informazioni codificate mediante stati quantistici e la resistenza ad attacchi informatici condotti grazie alla potenza di calcolo degli stessi computer di questo tipo, mediante la crittografia quantistica; il rilevamento quantistico (quantum sensing) si riferisce a una nuova generazione di sensori costruiti sulle basi delle proprietà di questi sistemi; i materiali quantistici dotati di nuove proprietà emergenti. A livello internazionale sono diverse le nazioni che portano avanti programmi di ricerca e sviluppo nei suddetti settori.

Al 2023, gli investimenti annunciati dai governi su un arco temporale che copre il decennio precedente e quello venturo ammontano a circa 34 miliardi di dollari. Risaltano il Nord America, dove gli Stati Uniti hanno stanziato oltre 3,2 miliardi di dollari e il Canada 1,2 miliardi, e l’Europa con 0,5 miliardi di dollari. In Asia spiccano la Cina, che dagli anni Novanta avrebbe iniettato nel campo circa 15 miliardi di dollari, l’India con un miliardo, il Giappone con 1,8 miliardi, la Russia con 700 milioni. I Paesi Ue finora hanno investito complessivamente 8,4 miliardi di dollari attraverso finanziamenti che in genere durano dieci anni, ma la panoramica è più complessa. L’Unione porta avanti il programma di ricerca European quantum flagship (in cui rientra anche l’Italia) che ha assegnato circa 1,16 miliardi di dollari a partire dal 2018 da distribuire tra i 25 Stati partecipanti in dieci anni, una cifra ampiamente insufficiente rispetto alle necessità.

L’Italia, con un disegno di legge presentato ad aprile 2024, prevede di stanziare fino a un miliardo di euro in Pmi e imprese che operano negli ambiti dell’IA, della cyber-security, calcolo quantistico e delle telecomunicazioni avanzate. Sul versante strettamente relativo alla computazione quantistica opera il Centro nazionale per high performance computing, big data e quantum computing, stabilito nel 2022 presso il Tecnopolo di Bologna e finanziato con le risorse del Piano nazionale di ripresa e resilienza. L’Italia ha costituito anche un partenariato esteso sulle tecnologie quantistiche che è stato finanziato con 116 milioni di euro. Si sottolinea che attualmente la durata dell’impegno di investimento italiano (dai due ai tre anni) non regge il confronto con l’orizzonte di circa dieci anni adottato dalla maggior parte dei Paesi equiparabili. Pur essendo in crescita, gli sforzi del settore privato sono significativamente meno robusti.

Per McKinsey i quattro settori che probabilmente vedranno per primi l’impatto economico del calcolo quantistica sono quello automobilistico, quello chimico, quello dei servizi finanziari e delle bioscienze, con una ricaduta complessiva che spazia tra i 620 e i 1300 miliardi di dollari in valore aggiunto entro il 2035. Lo stesso ente stima che il mercato potenziale per le tecnologie quantistiche potrebbe arrivare a valere 106 miliardi di dollari al 2040.

Direttrici della strategia italiana

Il panorama italiano nel campo delle tecnologie quantistiche è molto frammentato. Sono diversi gli atenei che portano avanti programmi accademici e di ricerca nel settore, ma tendono a procedere in relativa autonomia e si evidenzia una mancanza di obiettivi strutturati e un basso grado di attrattività per i talenti esteri, mentre al contrario si osserva una fuga di cervelli verso le start up quantistiche presenti negli altri Paesi. Questa tendenza, assieme alla frammentarietà degli accordi tra università, centri di ricerca e aziende per quanto riguarda il trasferimento tecnologico, è uno degli ostacoli principali sulla strada verso lo sviluppo dell’ecosistema delle tecnologie quantistiche italiano. I Technology transfer office degli atenei sono dotati di personale spesso insufficiente per realizzare programmi su larga scala e inerenti ambiti molto specifici come le deep tech, caratterizzate sia dal rischio sul prodotto sia da quello di mercato.

Sul versante del finanziamento, gli attori italiani del venture capital che ambiscono a dotarsi di competenze in ambito deep tech, e in particolare su tecnologie quantistiche, devono ancora maturare. Il tessuto economico italiano – caratterizzato da una maggioranza di piccole e medie imprese, che difficilmente avranno modo di avvalersi di tecnologie quantistiche senza intermediazione – deve poter godere di un adeguato livello di accesso a strumenti basati sulla tecnologia quantistica per- ché il sistema-Paese possa rimanere competitivo rispetto ai concorrenti internazionali. Le Pmi possono utilizzare il quantum computing per ottimizzare processi produttivi, migliorare la sicurezza dei dati e sviluppare prodotti innovativi.

Considerate le minacce ai sistemi crittografici che i computer quantistici potranno introdurre nei prossimi anni, è fondamentale collaborare con i Paesi alleati per certificare algoritmi crittografici resistenti ad attacchi quantistici che dovranno sostituire quelli attuali. È inoltre importante promuovere un’attività di inventario dei sistemi crittografici in uso e creare processi di crypto-agility per sostituire in tempi certi gli schemi crittografici più vulnerabili. Nonostante la reale minaccia di un attacco quantistico sia ancora lontana, è importante avviare le attività sopra indicate fin da oggi per prevenire attacchi del tipo “harvest now, decrypt later”, in cui alcuni agenti malevoli copiano dati criptati di rilevanza sistemica con l’obiettivo di decriptarli non appena sarà disponibile una tecnologia quantistica adeguata.

Il ruolo dell’industria

Occorre creare le condizioni affinché le realtà pubbliche e private del settore possano concorrere a potenziare le capacità nazionali in materia di sviluppo e uso di tecnologie quantistiche. L’urgenza impone un approccio di tipo sistemico. Realtà private a livello internazionale attive nel settore della ricerca hanno istituito centri di innovazione in sei Paesi (Giappone, Stati Uniti, Italia, Germania, Cina e India) con l’obiettivo di sviluppare tecnologie emergenti come appunto il quantum computing. Queste realtà collaborano con atenei, centri di ricerca e start up per accumulare conoscenze sulle tecnologie avanzate. L’Italia potrebbe adottare un approccio simile, istituendo centri di innovazione per facilitare la collaborazione internazionale e accelerare lo sviluppo delle tecnologie quantistiche. Poiché la ricerca italiana non presidia tutte le tecnologie, è indispensabile costruire partenariati con i Paesi più rilevanti in modo da essere più esposti alle tecnologie maggiormente evolute e promettenti.

Creare un’interdipendenza strategica con i Paesi G7 consentirebbe di assicurarsi le tecnologie non ancora sviluppate nel nostro Paese, e dall’altro lato di estendere il mercato di quanto realizzato in Italia a una domanda internazionale. Nel contesto dell’industrializzazione, le principali aziende del Paese come Eni, Leonardo e altre, promuovendo iniziative di open innovation presso strutture di incubazione dedicate, consentirebbero di avviare le iniziative di start up quantistiche italiane con un primo supporto in termini di domanda. I programmi di sviluppo quantistico tendono a essere situati dove si è fatta economia di scala, concentrando gli sforzi in un singolo luogo (Basilea, Monaco, Londra, Toronto, Boston, Parigi).

In Italia, chi si occupa di tecnologie quantistiche – segnatamente il ministero dell’Università e della ricerca e il ministero delle Imprese e del Made in Italy – promuove la crea- zione di centri distribuiti su tutto il territorio nazionale, ciascuno promotore di un progetto specifico. L’allineamento alle realtà di successo di cui sopra richiederebbe ora una fase di convergenza verso un unico polo dove sono già presenti più atenei, industrie e venture capital in cui esiste già una tradizione nelle tecnologie quantistiche. La strategia italiana si basa sui quattro asset condivisi da tutte le strategie dei principali Paesi impegnati nel settore: la ricerca, la creazione dell’ecosistema-industrializzazione, il capitale umano e la creazione dell’infrastruttura, più un’azione specifica sulla proprietà intellettuale e una di cooperazione internazionale con Paesi alleati.

Le fasi del progetto

L’obiettivo è sviluppare computer e tecnologie quantistiche definendo obiettivi prototipali realizzabili entro determinati orizzonti temporali. In analogia con quanto avvenuto in altri Paesi, gli sforzi dovrebbero essere tesi a realizzare due computer quantistici basati su differenti tecnologie con almeno 100 qubits nel 2027. Durante la fase successiva, sarebbe necessario scalarli a 1000 qubit e allo stesso tempo dotarli di misure di correzione quantistica degli errori entro il 2030; poi, dimostrare una applicazione di computazione quantistica che comporti quantum speed-up di grado almeno forte. La ricerca sugli algoritmi quantistici, simulazioni quantistiche e quantum machine learning è fondamentale per ottenere il quantum advantage; per questo è necessario sviluppare prototipi di sensori quantistici magnetici e gravitazionali più sensibili di quelli attualmente in commercio entro il 2028. Le azioni prevedono bandi pubblici finalizzati a finanziare le tecnologie necessarie a strutturare gli obiettivi funzionali richiesti.

Per costituire filiere raccordate finalizzate a realizzare prodotti basati sulle tecnologie quantistiche serve un sostegno economico e istituzionale alla creazione di venture builder e fondi di investimento deep tech, ma anche un sostegno per creare un singolo parco della scienza delle deep tech, in prossimità di uno o più atenei, in grado di ospitare start up incentrate sulle filiere per i prodotti basati sulle tecnologie quantistiche. Per favorire la commercializzazione e la penetrazione del mercato nell’ambito dei prodotti basati su computer e tecnologie quantistiche è importante sostenere iniziative di open innovation da parte delle grandi imprese, favorire incentivi allo sviluppo di prodotti che hanno come capofila grandi imprese italiane e coinvolgono start up deep tech.

In ambito di capitale umano, l’obiettivo è investire in formazione e mantenere e recuperare dall’estero la manodopera esperta. Questo si può ottenere creando o potenziando corsi di laurea e master incentrati su microelettronica, fotonica, scienza dei materiali, tecnologie quantistiche, intelligenza artificiale. Infine, per assicurare che anche attori istituzionali e industriali possano accedere e sfruttare queste tecnologie sarebbe necessario creare un’associazione di imprese che sviluppino e impieghino i computer e le tecnologie quantistiche, presidiata dalla presidenza del Consiglio e dal ministero delle Infrastrutture, che coinvolga il Consorzio interuniversitario del nord-est per il calcolo automatico come riferimento del mercato della domanda e dell’offerta per le risorse quantistiche.

Inoltre, creare un’infrastruttura quantistica che metta a disposizione le migliori tecnologie mondiali in questo campo permetterebbe ai centri di ricerca e alle aziende italiane di competere alla pari con gli altri Paesi internazionali nello sviluppo del software quantistico. In conclusione, la nascita di una piattaforma cloud italiana per il quantum computing, potrebbe rendere queste tecnologie più accessibili alle aziende nazionali, permettendo loro di accedere a risorse di calcolo avanzate senza dover investire in hardware costoso e facilitando l’integrazione nel tessuto economico nazionale. La maggior parte di queste azioni è comune alle roadmap già divulgate dagli altri Paesi G7 con i quali si confronta l’Italia e consentirebbero al nostro Paese di progredire tecnologicamente cooperando al passo con gli Stati alleati.

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