IBM ha presentato una nuova architettura di riferimento per il quantum-centric supercomputing, un modello progettato per integrare i computer quantistici nelle infrastrutture di supercalcolo esistenti e permettere a processori quantistici, sistemi HPC, GPU e strumenti di intelligenza artificiale di lavorare insieme all’interno di workflow coordinati.
L’obiettivo è rendere operativa una nuova classe di infrastrutture di calcolo in cui computer quantistici e supercomputer tradizionali collaborano per affrontare problemi scientifici che nessuna delle due tecnologie riuscirebbe a risolvere in modo efficiente da sola.
Con questa architettura IBM punta a trasformare il quantum computing da tecnologia sperimentale a componente integrata delle piattaforme di calcolo scientifico, segnando quello che l’azienda definisce il passaggio verso il paradigma del quantum-centric supercomputing.
L’idea alla base dell’architettura è semplice ma radicale: utilizzare il computer quantistico come acceleratore specializzato integrato nelle piattaforme di high performance computing, invece di immaginarlo come un sostituto dei supercomputer tradizionali. In questo scenario, ogni tecnologia affronta la parte del problema per cui è più adatta: il supercalcolo classico gestisce l’elaborazione massiva dei dati e le simulazioni numeriche più ampie, mentre il computer quantistico interviene nei passaggi dominati dalla meccanica quantistica, dove i metodi classici incontrano i limiti più severi.
Il modello prevede l’integrazione dei processori quantistici con cluster di CPU e GPU, reti ad alta velocità e sistemi di storage condiviso. L’orchestrazione di queste risorse avviene attraverso stack software aperti e framework di sviluppo come Qiskit, che permettono a ricercatori e sviluppatori di integrare le capacità quantistiche all’interno delle pipeline di calcolo già utilizzate nei centri HPC.
“Più di quattro decenni fa, il fisico teorico americano e premio Nobel Richard Feynman immaginò un computer capace di simulare la fisica quantistica. Da allora, IBM lavora per dare vita a quel sogno”, ha dichiarato Jay Gambetta, direttore di IBM Research e IBM Fellow. “I computer quantistici di oggi hanno dimostrato la loro capacità di affrontare le parti dei problemi scientifici governate dalla meccanica quantistica, dalla chimica, dal comportamento molecolare e da dinamiche complesse. Il futuro di questi ambiti di ricerca risiede nel quantum-centric supercomputing, in cui i processori quantistici collaborano con il calcolo ad alte prestazioni classico per risolvere problemi che oggi non sono affrontabili”.
I primi risultati del quantum-centric supercomputing
Secondo IBM, questo paradigma sta già producendo risultati concreti in diversi progetti di ricerca.
Uno dei primi esempi riguarda la chimica molecolare avanzata. Un gruppo di ricercatori di IBM, dell’Università di Manchester, dell’Università di Oxford e dell’Università di Ratisbona è riuscito a creare la prima molecola half-Möbius, una struttura chimica caratterizzata da una topologia elettronica estremamente insolita. Il computer quantistico è stato utilizzato per verificare la configurazione elettronica della molecola e confermare sperimentalmente le proprietà previste dai modelli teorici.
Simulazioni molecolari e biomolecole complesse
Un altro risultato riguarda la simulazione di biomolecole complesse. Alla Cleveland Clinic i ricercatori hanno utilizzato un workflow quantistico-centrico per studiare la mini-proteina Trp-cage, composta da 303 atomi e considerata uno dei sistemi modello per lo studio del ripiegamento proteico.
In questo caso la simulazione sfrutta un approccio di frammentazione del sistema molecolare: la proteina viene suddivisa in più regioni computazionali. Le parti con una correlazione elettronica relativamente semplice vengono elaborate con metodi classici di chimica computazionale, mentre i frammenti più complessi vengono affidati al computer quantistico.
I risultati ottenuti dalla QPU vengono poi reintegrati nel modello globale gestito dal supercalcolo classico, permettendo di calcolare con maggiore precisione l’energia relativa di diverse conformazioni della proteina. L’esperimento dimostra come il computer quantistico possa essere inserito in pipeline di simulazione molecolare realistiche, contribuendo ad aumentare l’accuratezza delle simulazioni senza sostituire l’infrastruttura HPC esistente.
Lo studio dei sistemi quantistici ingegnerizzati
Un ulteriore risultato riguarda lo studio dei sistemi quantistici ingegnerizzati e la determinazione dello stato di energia minima di un sistema quantistico, un problema centrale nella fisica dei materiali e nei modelli di spin.
In una collaborazione tra IBM, RIKEN e Università di Chicago, i ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente che un algoritmo ibrido quantistico-classico può individuare lo stato fondamentale di alcune Hamiltoniane più efficacemente di diversi metodi classici standard.
Il computer quantistico viene utilizzato per esplorare configurazioni della funzione d’onda difficili da individuare con gli approcci tradizionali, mentre il supercalcolo classico analizza i risultati e ricostruisce lo spettro energetico del sistema.
Fugaku e IBM Heron: supercomputer e quantum processor insieme
Uno dei progetti più ambiziosi riguarda invece l’integrazione tra il supercomputer Fugaku del centro di ricerca giapponese RIKEN e un processore quantistico IBM Quantum Heron installato nello stesso centro di calcolo.
In questo caso i ricercatori hanno affrontato la simulazione della struttura elettronica di cluster ferro-zolfo, molecole fondamentali per numerosi processi biologici e chimici, tra cui il trasporto di elettroni nelle cellule e molte reazioni catalitiche.
L’esperimento ha coinvolto l’intera infrastruttura del supercomputer Fugaku, il supercomputer sviluppato dal centro di ricerca giapponese RIKEN in collaborazione con Fujitsu e che è una delle infrastrutture di high performance computing più avanzate al mondo. Installato presso il RIKEN Center for Computational Science di Kobe, il sistema è progettato per affrontare simulazioni scientifiche su larga scala in ambiti come la fisica dei materiali, la biologia computazionale, la climatologia e la progettazione di nuovi farmaci. La macchina è basata su oltre 152.000 nodi di calcolo equipaggiati con processori Fujitsu A64FX basati su architettura ARM, collegati da una rete ad altissima velocità che consente di eseguire calcoli altamente paralleli. Fugaku è stato per diversi anni ai vertici della classifica mondiale dei supercomputer e continua a rappresentare uno dei principali punti di riferimento per il supercalcolo scientifico.
Il processore IBM Quantum Heron rappresenta uno dei passaggi chiave nella roadmap con cui IBM punta a portare il quantum computing verso applicazioni scientifiche su scala reale. Presentato al Quantum Summit 2023, è il primo membro di una nuova famiglia di chip progettata non tanto per aumentare il numero di qubit, quanto per migliorare la qualità delle operazioni quantistiche e la capacità di eseguire circuiti più complessi.
La prima versione del processore disponeva di 133 qubit, successivamente portati a circa 156, con miglioramenti nella coerenza dei qubit, nella fedeltà delle operazioni e nella stabilità dei circuiti. Per IBM il punto centrale non è solo la dimensione del chip, ma la possibilità di eseguire circuiti più profondi con meno errori, condizione necessaria per applicazioni scientifiche realistiche.
Heron è progettato per operare all’interno di IBM Quantum System Two, una piattaforma modulare che integra più processori quantistici con sistemi di calcolo classico ad alte prestazioni. All’interno della roadmap IBM, questa architettura rappresenta un passaggio verso sistemi quantistici sempre più scalabili e, nel lungo periodo, verso computer fault-tolerant capaci di affrontare problemi oltre la portata dei supercomputer tradizionali.
Nell’esperimento, il sistema HPC gestisce la preparazione dei modelli molecolari e le parti più intensive del calcolo numerico, mentre il processore quantistico interviene nei passaggi dominati dalla correlazione elettronica quantistica, uno dei problemi più difficili da trattare con metodi classici. I risultati prodotti dal computer quantistico vengono reinseriti nel calcolo globale, creando un ciclo continuo di elaborazione tra HPC e QPU.
Questa integrazione dimostra concretamente il paradigma del quantum-centric supercomputing: il computer quantistico non sostituisce il supercalcolo tradizionale, ma diventa una risorsa specializzata all’interno di infrastrutture computazionali molto più ampie.
Simulazioni quantistiche a molti corpi
Un ulteriore contributo arriva da una ricerca realizzata da Algorithmiq, Trinity College di Dublino e IBM e pubblicata su Nature Physics. Lo studio mostra come sia possibile simulare con maggiore accuratezza sistemi quantistici caotici a molti corpi — come insiemi complessi di atomi ed elettroni — utilizzando risorse computazionali classiche per mitigare il rumore dei dispositivi quantistici attuali.
Verso una nuova architettura del calcolo scientifico
Nel loro insieme questi risultati indicano che l’integrazione tra high performance computing e quantum computing sta entrando in una fase più operativa.
Tra le iniziative già avviate figura la collaborazione con il Rensselaer Polytechnic Institute, impegnato insieme a IBM nello sviluppo di tecniche per migliorare la schedulazione e l’orchestrazione dei workflow tra risorse quantistiche e sistemi HPC.
Questa evoluzione si inserisce in una trasformazione più ampia dell’informatica avanzata, caratterizzata da una crescente ibridazione delle tecnologie di calcolo. Negli ultimi anni il supercalcolo ha progressivamente integrato architetture diverse — CPU tradizionali, GPU per l’intelligenza artificiale e acceleratori specializzati — per affrontare problemi computazionali sempre più complessi.
In questo contesto il computer quantistico si aggiunge come una nuova risorsa complementare, progettata per affrontare i passaggi dominati dalla meccanica quantistica che i metodi classici faticano a simulare con precisione.
Il paradigma del quantum-centric supercomputing nasce proprio da questa logica di integrazione: supercalcolo classico e processori quantistici collaborano nello stesso workflow, ciascuno occupandosi della parte del problema per cui è più efficiente.
L’obiettivo è affrontare simulazioni scientifiche — dalla chimica molecolare allo studio dei materiali e dei sistemi quantistici complessi — che oggi risultano proibitive anche per i supercomputer più avanzati.
