La tua prossima sfida di progettazione potrebbe essere quantistica

Siamo nel 2030. Il tuo software EDA potenziato dalla tecnologia quantistica ha appena simulato un nuovo materiale per batterie a livello molecolare – un lavoro che prima richiedeva mesi, ora completato in mezz'ora. Dall'altra parte della stanza, il tuo collega utilizza un sistema ibrido quantistico-classico per ottimizzare un complesso layout RF, esplorando simultaneamente milioni di configurazioni possibili. Nel frattempo, l'esperto di crittografia del tuo team implementa i più recenti protocolli resistenti al quantum per proteggere i tuoi progetti, poiché la crittografia tradizionale non può più offrire una protezione significativa.

Questo non è fantascienza. È il futuro dell'ingegneria elettronica, e sta arrivando più velocemente di quanto molti si rendano conto. Il calcolo quantistico è sul punto di trasformare il modo in cui progettiamo, simuliamo e proteggiamo i sistemi elettronici. Per gli ingegneri, ciò significa prepararsi a un'ondata di disrupzione e opportunità.

In riconoscimento dell'impatto accelerato delle tecnologie quantistiche, le Nazioni Unite hanno dichiarato il 2025 l'Anno Internazionale della Scienza e Tecnologia Quantistica. Questa iniziativa promuoverà il ruolo crescente del quantistico attraverso le discipline, incoraggiando l'impegno pubblico e professionale con il campo.

Comprendere il Salto Quantistico

Per comprendere perché il quantum è importante, è utile confrontarlo con il calcolo classico. I computer classici utilizzano bit che sono o 0 o 1. I computer quantistici usano qubit, che possono essere 0 e 1 allo stesso tempo - una proprietà chiamata sovrapposizione. Quando i qubit diventano intrecciati, i loro stati sono collegati, consentendo calcoli simultanei su molte possibilità. Queste caratteristiche rendono le macchine quantistiche ideali per problemi che sopraffanno i processori classici.

Al nucleo di queste macchine quantistiche c'è l'unità di elaborazione quantistica (QPU), il corrispettivo del CPU classico. Un QPU ospita qubit così come l'elettronica di controllo e l'hardware classico necessario per gestirli. Insieme, formano un sistema di precisione capace di eseguire istruzioni quantistiche filtrando al contempo il rumore ambientale che può alterare gli stati fragili dei qubit.

Perché il Quantum è Importante per l'Elettronica

Il calcolo quantistico sta già iniziando ad avere un impatto sul mondo dell'elettronica. Tre aree pratiche spiccano:

• Scoperta di Materiali: Simulare le interazioni molecolari con strumenti classici è intensivo in termini di tempo e spesso impreciso. I sistemi quantistici possono modellare questi comportamenti a livello quantistico, accelerando lo sviluppo di semiconduttori, batterie e altri materiali avanzati.
• Ottimizzazione del Design: I computer quantistici eccellono nell'esplorare enormi spazi di soluzione. Questa capacità apre nuovi confini nel layout dei circuiti analogici, nella progettazione delle celle di memoria e in altri campi del design.
• Sicurezza e Resilienza: Man mano che le macchine quantistiche aumentano di potenza, minacciano di rompere le criptazioni odierne. Ma supportano anche la creazione di algoritmi resistenti al quantum, alcuni dei quali sono già incorporati nell'hardware oggi.

Correndo verso la Prontezza

IBM, Google e D-Wave hanno tutti fatto rapidi progressi nella tecnologia quantistica negli ultimi due anni, con roadmap competitive, obiettivi di ricerca audaci e un ecosistema in crescita di partner e clienti che testano soluzioni quantistiche. Queste aziende stanno modellando gli stack software, i modelli di accesso al cloud e le collaborazioni di ricerca che definiranno le prime applicazioni quantistiche. Questa convergenza di innovazione, impegno e collaborazione sta aiutando a rendere il calcolo quantistico più rilevante per ingegneri e scienziati che lavorano nel "mondo reale", non solo per coloro che lavorano nei laboratori quantistici. 

Il processore quantistico R2 IBM Heron, annunciato alla fine del 2024, dispone di 156 qubit con accoppiatori sintonizzabili e funziona fino a 50 volte più velocemente del suo predecessore, l'Heron originale, rilasciato alla fine del 2023. Quando combinato con gli strumenti software open-source Qiskit, il processore R2 Heron può eseguire 5.000 operazioni su porte a due qubit, il doppio del precedente record (al tardo 2024). Secondo i ricercatori IBM, questa performance lo prepara per calcoli quantistici complessi. 

Il QPU Willow di Google, annunciato nel dicembre 2024, include 105 qubit transmon superconduttori e ha dimostrato una pietra miliare nella correzione degli errori quantistici: i tassi di errore diminuiscono all'aumentare del numero di qubit. Willow ha recentemente completato un complesso benchmark in meno di cinque minuti, un compito che richiederebbe ai supercomputer classici un'incredibile 10 septilioni di anni!

A differenza della maggior parte dei concorrenti, D-Wave ha intrapreso un percorso fondamentalmente diverso nel campo del calcolo quantistico, concentrandosi sull'annichilamento quantistico – una tecnica specificamente progettata per risolvere problemi di ottimizzazione. Mentre i computer quantistici basati su gate (come quelli di IBM e Google) mirano a diventare sistemi general-purpose capaci di eseguire un'ampia gamma di algoritmi, gli annichilatori quantistici come quelli di D-Wave sono altamente specializzati. Eccellono nel trovare soluzioni ottimali in spazi di ricerca vasti e complessi, rendendoli ideali per la logistica, la pianificazione, l'apprendimento automatico e la modellazione dei materiali.

Nel marzo 2025, D-Wave ha annunciato che il suo sistema Advantage2, costruito con oltre 7.000 qubit superconduttori e una connettività qubit a 20 vie, aveva raggiunto un traguardo significativo. È riuscito a simulare un complesso problema di scienza dei materiali in soli 20 minuti. Un supercomputer tradizionale impiegherebbe circa un milione di anni per svolgere questo lavoro. Sebbene non sia drammatico come le affermazioni di dominio dei benchmark dei sistemi basati su gate, questo risultato evidenzia la forza unica di D-Wave nell'applicare strumenti quantistici a problemi reali di ottimizzazione industriale.

I ricercatori cinesi hanno annunciato Zuchongzhi 3.0, un processore quantistico che raggiunge una velocità un quadrilione di volte superiore a quella dei migliori supercomputer attuali. Con 105 qubit superconduttori, il chip dimostra che, nonostante le sanzioni commerciali statunitensi, la Cina è un concorrente nella corsa alla tecnologia di calcolo quantistico.

Oltre a questi chip e macchine che attirano l'attenzione, una nuova ondata di sviluppi mostra il momento di slancio del campo. I ricercatori hanno collegato insieme più processori quantistici per la prima volta all'inizio del 2025, un passo critico verso la scalabilità. Nello stesso periodo, un sistema quantistico a 56 qubit ha generato "casualità certificata", creando numeri provabilmente imprevedibili. Questo salto potrebbe rivoluzionare la crittografia, le simulazioni e le comunicazioni sicure.

L'EDA riceve un aiuto quantistico

Progettare circuiti ad alte prestazioni è uno dei compiti più complessi nell'ingegneria elettronica. Gli strumenti EDA classici spesso si affidano a simulazioni brute-force e test sequenziali, che possono richiedere giorni, settimane o addirittura mesi. Come previsto nel nostro scenario di apertura, gli strumenti EDA potenziati dal quantum promettono di accelerare notevolmente questo processo valutando migliaia o milioni di configurazioni possibili contemporaneamente. Questo vantaggio quantistico è particolarmente convincente per problemi come l'ottimizzazione di circuiti analogici, il routing del layout e la distribuzione dell'energia, dove lo spazio delle soluzioni diventa rapidamente troppo vasto per essere esplorato esaustivamente dagli strumenti classici.

Nel frattempo, aziende come NVIDIA e Keysight stanno collaborando con Google Quantum AI per avanzare nelle simulazioni di circuiti quantistici su larga scala e sviluppare nuove tecniche di modellazione per componenti superconduttori. Architetture ibride – che combinano flussi di progettazione classici con acceleratori quantistici – stanno già fornendo miglioramenti misurabili su compiti mirati, segnando un passaggio dalla novità sperimentale a strumento di ingegneria applicata.

Per Iniziare con gli Strumenti Quantum

Fortunatamente, non è necessario disporre di un laboratorio quantistico per iniziare. Le piattaforme accessibili via cloud permettono agli ingegneri di testare tecniche di ottimizzazione quantistica e ispirate al quantum senza infrastrutture specializzate.IBM Qiskit Metal si integra con strumenti EDA e di simulazione familiari, permettendo agli ingegneri di progettare hardware quantistico in Python. Amazon Braket e Microsoft Azure Quantum offrono accesso cloud a processori quantistici, inclusi sistemi di IonQ, Rigetti e D-Wave.

Affrontare le Sfide del Mondo Reale

Nonostante le promesse, le macchine quantistiche odierne rimangono delicate e richiedono molte risorse. I sistemi a qubit superconduttori richiedono tipicamente frigoriferi a diluizione e attrezzature di schermatura per mantenere temperature criogeniche vicine allo zero assoluto - condizioni estremamente sensibili al rumore ambientale. Anche i processori di piccola scala richiedono ambienti termici stabili, controllo preciso delle microonde e calibrazione estensiva.

Questi vincoli fisici e ingegneristici limitano l'accessibilità dell'hardware quantistico pratico. Ma stanno anche guidando l'innovazione nella miniaturizzazione, nella crioelettronica e nel design modulare. Gli ingegneri stanno sviluppando circuiti criogenici CMOS, sperimentando con interconnessioni superconduttrici e perfezionando le interfacce che collegano i domini quantistico e classico. C'è progresso, ma sistemi robusti e scalabili affrontano ancora sfide ingegneristiche imponenti con potenza, costo e integrazione di sistema.

Dove va l'Ingegneria Successivamente

L'era quantistica non sostituirà l'elettronica classica. La amplierà e accelererà. Per gli ingegneri, ciò significa nuovi strumenti per affrontare problemi che una volta erano considerati impraticabili o impossibili. Man mano che queste capacità si evolvono, coloro che le esplorano ora acquisiranno la competenza tecnica necessaria per modellare come le capacità quantistiche verranno ingegnerizzate nei sistemi che ridefiniranno il modo in cui progettiamo, simuliamo e proteggiamo l'elettronica nell'era quantistica.