In den letzten Jahren wurde der Begriff Quanten-Computing Es wird zunehmend auch außerhalb von Forschungslabors eingesetzt, zieht immer mehr spezialisierte Persönlichkeiten in den Wettlauf um die Quantenvorherrschaft ein und wird tatsächlich zu einem der strategischen Vermögenswerte in den Visionen der nahen Zukunft von Großinvestoren und Staaten.
Die kontinuierliche Suche nach hochqualifiziertem Personal ist einer der Sensoren für diesen Trend, ebenso wie die Compound Annual Rate (CAGR), die im Zeitraum 56-2020 voraussichtlich um 2030 % auf fast 65 Milliarden Dollar im Jahr 2030 steigen wird [1 ] ,
Was ist die Basis dieser neuen Technologie, die die Branche attraktiv macht? Was sind die aktuellen Grenzen? Warum bereiten so viele Nationen spezielle strategische Pläne vor? Wie ist die Situation in Italien?
Berechnungspotential - Grovers Algorithmus
Grundlage der Quantenberechnung ist das Qubit (o Quantenbit). Es leitet sich aus der Definition einer ganz anderen Physik ab, als sie im Alltag wahrgenommen wird: Wenn wir beispielsweise in der klassischen Elektronik die Lautstärke des Radios schrittweise erhöhen können, können wir in der Quantenphysik nur "Schritt für Schritt" für wie viele wohldefinierte je nach physikalischem System im Studio.
Der Hauptvorteil der Qubit auf dem klassiker Bit (0 oder 1) ist, dass es gleichzeitig in beiden Zuständen sein kann (Überlagerungsprinzip) und alle Anfangszustände gleichzeitig einnehmen kann, wodurch sich die Rechenzeiten auf Basis der Quantenmechanik reduzieren. Insbesondere dieGrovers Algorithmus es ermöglicht, einen bestimmten Zustand in einem System von N Elementen mit einer Anzahl von Operationen gleich der Quadratwurzel von N zu finden, während ein herkömmlicher Algorithmus N / 2 Operationen verwenden würde.
Dies ist die große "Bedrohung" des Quantencomputings: Wenn bisher die Anzahl der Elemente erhöht wurde, um das Entschlüsseln einer Nachricht immer schwieriger zu machen, Quanten-Computing praktisch null Entschlüsselungszeiten durch einfache Brute-Force.
Andererseits ist die zweite Quanteneigenschaft des Qubit, die Verschränkung macht eine Übertragung von Nachrichten auf Quantenebene intrinsisch sicher: Ein Eindringling, der die Nachricht auch einfach nur lesen möchte, ohne sie zu verändern, zerfällt den Quantenzustand der Nachricht irreversibel und macht sie sowohl für sich selbst als auch für den Empfänger unbrauchbar (der daher von der wahrscheinliche Zugang). [2], [3]
Operationen an Bit und Qubit sie dienen dazu, eine Berechnung, Übermittlung oder Speicherung von Daten zu erhalten. Wenn dies einfach genug ist, indem Sie mit dem handeln Bit, ist komplexer mit i Qubit. Zu dieser Komplexität kommt aber noch ein weiterer Faktor hinzu: die Dauer der Qubit in seinem Zustand für einen der Durchführung der Berechnung angemessenen Zeitraum oder in Bezug auf die Entfernung zwischen Sender und Empfänger. Diese Stabilität wird "Konsistenz" genannt.
Gegenwärtig beziehen sich die physikalischen Grenzen hauptsächlich auf die Erhaltung des Zustands der Qubit langfristig erfordern sie Grundlagenforschung zur Erforschung der Phänomenologie und gleichzeitig industrielle Forschung, um Lösungen zu finden, die zunehmend auf die makroskopische Welt, in der wir leben, anwendbar sind.
Der Grund für das Rennen ist somit klar Quantenüberlegenheit, definiert in den Worten des Physikers John Preskill im Jahr 2012: Ich schlug den Begriff "Quantenvorherrschaft" vor, um den Moment zu beschreiben, in dem Quantencomputer Dinge tun würden, die klassische Computer niemals wiederholen können, unabhängig von der Nützlichkeit der Operation..
Bis heute wird es von verschiedenen Forschungszentren als die Fähigkeit interpretiert, komplexere Berechnungen als die bisherigen quantenmäßig durchzuführen, wenn auch mit klassischen Computern lösbar.
Der wahre Ansturm auf Quantenüberlegenheit es begann eigentlich damit, dass der Quantencomputer Berechnungen durchführen konnte, für die der klassische Computer eine unannehmbare Zeit (mehrere Jahrhunderte reduziert auf wenige Sekunden) benötigt hätte.
Wer läuft im Rennen der Quantenvorherrschaft?
Fast alle Staaten mit fortschrittlicher Technologie und starken Grundlagen der Quanten- und Kernphysik nehmen an diesem Wettlauf teil und viele haben diesen Sektor mit 2030 als Referenz in die kurz-mittelfristigen strategischen Pläne aufgenommen.
Vor allem die Entwicklung der Quantencomputer basiert auf zwei Managementtechnologien von Qubit: "Ionenfalle" und "Photonenmanagement".
Nachfolgend die letzten drei Jahre des Wettbewerbs:
Im Jahr 2019 behauptete Google, dieses Ziel dank seiner eigenen erreicht zu haben Quantencomputer-Ahorn (mit 54 Qubits) in der Lage, in 3 Minuten eine Rechnung zu lösen, die ein klassischer Supercomputer in 10.000 Jahren lösen würde.
Im Jahr 2020 gab die University of Science and Technology of China (USTC) bekannt, dass sie mit dem photonenbasierten Quantencomputer Jiuzhang (76 Qubits) die Vorherrschaft erlangt hat. Das USTC behauptete, mit diesem System in 200 Sekunden eine Rechnung lösen zu können, die den besten Supercomputer der Welt für einige Milliarden Jahre beschäftigt hätte.
Im Jahr 2021 (24. September) gab China mit dem USTC bekannt, dass es dank des Zuchongzhi-Prozessors (66 Qubit) immer noch führend ist, der als 100- bis 1000-mal leistungsfähiger ist als Sycamore.
Die Unterstützung einzelner Nationen oder transnationaler Fonds ist hingegen unabdingbar, um mit dieser neuen Technologie konkurrieren oder zumindest nicht hinterherhinken zu können. Viele Nationen oder gemeinsame Initiativen wurden ins Leben gerufen und einige befinden sich in einem fortgeschrittenen Stadium in Bezug auf Anwendungen, Forschung und Evangelisierung mit vielen Anfang e frühzeitige Anwender.
Zweifellos, über politische oder kontextbezogene Aussagen hinaus, ein Maß dafür, wie viel eine bestimmte Nation für sich tut Quantentechnologie es sind die getätigten Investitionen und die zur Verfügung gestellten Mittel, um diese Technologie zu entwickeln. Basierend auf Quantum täglich vom 29 [04] ist die Situation in der Tabelle zusammengefasst.
Die Werte der Fonds und staatlichen Förderinitiativen sind ein Indikator dafür, wie strategisch dieser neue Sektor ist und welche Anstrengungen verschiedene Nationen unternehmen, um Forschung und Industrie zu unterstützen.
Schauen wir uns die gemeinsamen europäischen Initiativen und damit die Unterstützung an, die Italien bieten kann.
Das erste europäische Programm für QC ist das Quantentechnologie-Flaggschiffprogramm [5]. Die 2018 gestartete Initiative sieht in 10 Jahren eine Unterstützung von rund 1000 Mio. € vor.
Bisher wurden 24 Projekte mit insgesamt 152 Mio. € finanziert.
Eine weitere fondsbasierte Initiative Horizon2020 Es ist stattdessen Quanter [6], wo derzeit Aufrufe von ca. 40 Mio. EUR vorgesehen sind.
Italien?
Daher versucht auch die Europäische Union, ihren Beitrag zu leisten. Aber wie beteiligt sich Italien?
Sicherlich mit ihren besten Forschern, die in den renommiertesten Labors in ganz Europa mit ihren spezifischen Fähigkeiten angemessenen Gehältern eingestellt werden.
Aber wie viel tut unser Land in Bezug auf Projekte und die Fähigkeit, einen Teil der in den EU-Initiativen beschriebenen Mittel anzuziehen? Sehen wir uns die Situation heute an.
2019 der Aufruf Quanter es finanzierte 12 Projekte mit insgesamt 12,5 Mio. € und davon erhielt Italien 1,27 Mio. € durch die Teilnahme an 8 internationalen Projekten, von denen es als Koordinator fungierte. Mit den erhaltenen Gesamtfinanzierungen liegt es nach Frankreich (2,2 Mio. €) und Deutschland (1,9 Mio. €) an dritter Stelle.
Ein neuer Anruf Quanter ist derzeit für 2021 geöffnet.
Relativ zu den Quantentechnologie-Flaggschiffprogramm, Italien beteiligt sich über den CNR, der die nationalen Aktivitäten koordiniert [7] und auch andere Projekte unterstützt Horizon2020.
Aus dem, was sich herausstellt, hat Italien das Potenzial, zusammen mit gültigen europäischen Partnern im Wettlauf um Quantentechnologie-Anwendungen zu konkurrieren (auch unter Berücksichtigung der Tatsache, dass hochtechnologische Unternehmen lokale F&E- und Produktionsbüros haben und folglich auch von Quantum . erhofft wird Vorherrschaft). Dies wird durch die strategische Vision bestätigt, die das NFP (Nationaler Forschungsplan) 2021-2027 hervorgehoben hat. Italien verfügt beispielsweise über eine Glasfaserinfrastruktur, die die Quantenkommunikation unterstützen kann. Tatsächlich ist dieItalienisches Quantenrückgrat (IQB) ist wie eine 1.850 km lange Glasfaser-Autobahn (heute einzigartig in Europa) und kann daher aktiv an der Entwicklung mitwirken und Tests für sichere Quantenkommunikation ermöglichen. Unser Land kann in Bezug auf Sensoren in einem schnell wachsenden Markt extrem wettbewerbsfähig sein (im gleichen PNR wird erwähnt, dass „Der globale Sensormarkt hat ein Volumen von mehr als 200 Milliarden Euro, mit einem geschätzten jährlichen Wachstum von 10 % für die nächsten 5 Jahre.“ Wirklich beeindruckende und sich ständig weiterentwickelnde Zahlen; es treten jedoch zunehmend Probleme bei der Koordination und Aggregation von Ressourcen auf.
Wie von Prof. Cataliotti, Direktor des Nationalen Instituts für Optik am Nationalen Forschungszentrum (CNR), und von Prof. Calarco, Direktor des Peter Grünberg Instituts in Jülich, Deutschland, in dem kürzlich in Nature veröffentlichten Artikel [8 ] braucht Italien politische Anstrengungen und die Einbeziehung von KMU und Großindustrien, um wirklich an der Entwicklung dieser Technologie teilzuhaben. Maßnahmen, die das PNRR kürzlich auch durch die Verteilung von Gesamtmitteln von 1600 Mio. Photonik und Optoelektronik (offensichtlich ist es noch ein Werden…).
Eine umfassende Darstellung des Potenzials, das Italien in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Einrichtungen im Kryptographiesektor realisieren kann, ist das in [9], [10], [11] beschriebene Projekt Quantum-Secure Net.
Die Hoffnung ist, dass es endlich einen echten gesamtitalienischen Aggregationspunkt für die Quantentechnologie mit einer Rendite sowohl in wissenschaftlicher als auch in praktischer Hinsicht, die die BIP-Prognosen, die Beschäftigungswirkung und die Stärkung der Infrastruktur, auf die sich das PNRR erhofft, bestätigt.
Bibliographie
[1] https://finance.yahoo.com/news/worldwide-quantum-computing-market-2019-094356068.html
[4] https://thequantumdaily.com/2021/04/29/15-countries-with-national-quantum-initiatives/
[5] https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/quantum-technologies-f...
[7] http://www.qtflagship.cnr.it/
[8] https://www.nature.com/articles/d43978-021-00041-6
[9] https://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/il-progetto-quantum-secure-ne...
[10] https://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/il-progetto-quantum-secure-ne...
[11] https://www.difesaonline.it/evidenza/cyber/il-progetto-quantum-secure-ne...
