Informatica quantistica per la fabbrica

I computer quantistici promettono di risolvere problemi che i computer classici semplicemente non sono in grado di gestire. In teoria. In pratica, tuttavia, sono incredibilmente delicati: un camion in transito, un ronzio improvviso dell'aria condizionata o persino l'accensione di una luce in una stanza adiacente possono far sì che il sistema reagisca in modo sensibile ai cambiamenti ambientali. Ecco perché questi dispositivi sono stati finora confinati in laboratori altamente specializzati, protetti come i pazienti in terapia intensiva. Per le aziende che intendono integrare i computer quantistici in ambienti produttivi, ciò rappresenta una sfida significativa.

Hila Safi, insieme ai suoi colleghi, è stata pioniera di una soluzione rivoluzionaria a questo problema, guadagnandosi il premio Inventor of the Year 2025 nella categoria «PhD». La loro innovazione è gemello digitale progettato per simulare con precisione il funzionamento di un computer quantistico e per essere integrato in un tipico ambiente industriale. «Con questo gemello digitale, possiamo far funzionare computer quantistici in ambienti reali, in modo sicuro, stabile e affidabile», spiega il dottorando presso l'Università di scienze applicate di Ratisbona.

Il problema: troppo sensibile per il mondo reale

I computer quantistici si affidano a qubit — le unità di informazione fondamentali della meccanica quantistica. Un qubit rappresenta lo stato di un sistema fisico, fungendo da vettore di informazioni e sfruttando fenomeni quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement.

Questi stati fisici sono estremamente fragili. Anche disturbi minimi, come campi elettromagnetici o lievi cambiamenti nella struttura della stanza, possono alterare i calcoli. Sebbene gestibili in un ambiente di laboratorio controllato, questi fattori rappresentano una sfida significativa in fabbrica.

«Il funzionamento affidabile di un computer quantistico dipende in realtà dall'ambiente circostante», spiega Safi. «Anche piccole vibrazioni o variazioni di temperatura possono causare errori, motivo per cui è così importante simulare e comprendere questi effetti nella fase iniziale». Fino ad ora, l'industria non ha trovato i sistemi quantistici sufficientemente affidabili. Senza risultati solidi e prevedibili, il loro utilizzo nel mondo degli affari è troppo rischioso. Molte domande su dove collocarli, quanto saranno stabili e sulla loro utilità complessiva rendono difficile per le aziende decidere se e dove investire.

La soluzione: prima simula, poi installa

È proprio qui che l'innovativo gemello digitale di Safi offre una svolta. Replica virtualmente un computer quantistico e l'ambiente operativo previsto prima dell'installazione fisica. Il modello integra dati provenienti da sensori ambientali, statistiche di errore e simulazioni di potenziali fonti di interferenza con le caratteristiche hardware note.

Questo approccio proattivo consente di rispondere in anticipo a domande cruciali: il computer quantistico può funzionare efficacemente all'interno dell'ambiente industriale? Quali tipi di errori sono previsti? In che misura degraderebbero la qualità del calcolo? E quali misure, come una schermatura avanzata, un posizionamento alternativo o una calibrazione adattiva, sarebbero necessarie per stabilizzare il sistema?

Ad esempio, si consideri un capannone di produzione in cui sono utilizzati robot di trasporto, gli impianti di produzione generano vibrazioni e le linee elettriche creano campi di interferenza elettromagnetica. Il gemello digitale simula l'impatto preciso di questi fattori sulla stabilità dei qubit, rivelando dove i tassi di errore sarebbero tollerabili e, soprattutto, dove no. Inoltre, il gemello rimane attivo durante il funzionamento: se l'ambiente dovesse cambiare a causa di modifiche strutturali o dell'introduzione di nuovi macchinari, i sensori rileveranno queste alterazioni e ne valuteranno il potenziale impatto.

Il vantaggio: l'informatica quantistica diventa prevedibile

Grazie al gemello digitale, le aziende dispongono finalmente di dati affidabili per guidare le loro decisioni sull'informatica quantistica industriale. Ora possono valutare appieno i rischi prima di investire molti soldi e comprendere chiaramente cosa è necessario per far funzionare il sistema in modo stabile.

Come spiega Safi, «Nella mia ricerca, esploro il co-sviluppo di algoritmi quantistici e hardware per affrontare l'ottimizzazione complessa e le sfide industriali che sono intrattabili o altamente inefficienti per i metodi classici. Ciò comporta l'identificazione di classi problematiche particolarmente adatte all'informatica quantistica e lo sviluppo di approcci di modellazione efficienti».

Il suo gemello digitale colma efficacemente il divario critico tra ricerca teorica e applicazione pratica. Affinché i computer quantistici possano uscire con successo dai laboratori specializzati e entrare in ambienti industriali reali, devono diventare altrettanto stabili, scalabili e affidabili quanto i sistemi IT che utilizziamo ogni giorno.