Verso il calcolo quantistico applicato: una svolta dalla ricerca universitaria siciliana

Un recente lavoro di ricerca nato interamente in Sicilia ha ottenuto un riconoscimento di rilievo internazionale con la pubblicazione sulla rivista Theoretical Computer Science, uno dei principali riferimenti mondiali per l’informatica teorica. Il risultato è frutto di una collaborazione scientifica tra l’Università di Catania e l’Università di Palermo e rappresenta un contributo originale nel campo degli algoritmi quantistici.

Il gruppo di ricerca coinvolto presenta competenze fortemente complementari. Presso l’Università di Catania operano Domenico Cantone, professore Ordinario e decano dell’Ateneo, Simone Faro, professore associato impegnato da anni nello sviluppo delle attività di ricerca e didattica in ambito quantistico, e Caterina Viola, ricercatrice rientrata a Catania dopo un dottorato svolto in Germania e un periodo di post-dottorato all’Università di Oxford. All’Università di Palermo lavora Arianna Pavone, ricercatrice con un profilo interdisciplinare che integra computazione quantistica, analisi delle sequenze e studi cognitivi.

Lo studio affronta due problemi classici dell’informatica teorica e dell’algoritmica sulle stringhe: la ricerca della sottostringa comune più lunga (Longest Common Substring / Subsequence) e della sottostringa palindroma più lunga. Questi problemi, noti e studiati da decenni, rivestono un ruolo centrale sia dal punto di vista teorico sia per le applicazioni. Il contributo del lavoro consiste nel fornire, per la prima volta, algoritmi quantistici completi per tali problemi nel modello circuitale, ovvero il modello di computazione quantistica più vicino a una futura implementazione su hardware reale.

Il risultato rappresenta il punto di arrivo di un percorso di ricerca avviato negli anni precedenti. Una prima versione dei risultati era stata presentata nel 2024 alla conferenza ICTCS, uno dei principali appuntamenti nazionali per l’informatica teorica, favorendo un confronto approfondito con la comunità scientifica. Tale confronto ha condotto alla versione estesa e definitiva del lavoro, successivamente accettata e pubblicata su una rivista internazionale di primo piano.

Il lavoro si inserisce inoltre in un più ampio quadro di ricerca nazionale ed europea. È stato svolto con il supporto del National Centre for HPC, Big Data and Quantum Computing, nell’ambito del Progetto PNRR CN00000013 – Spoke 10, co-finanziato dall’Unione Europea attraverso il programma NextGenerationEU. Questo contesto evidenzia come la computazione quantistica rappresenti oggi una delle direttrici strategiche per l’innovazione scientifica e tecnologica del Paese.

Dal punto di vista scientifico, il contributo è rilevante perché dimostra come i principi della meccanica quantistica possano essere tradotti in circuiti quantistici concreti, superando modelli puramente astratti. Gli algoritmi proposti mostrano uno speed-up quantistico rispetto alle soluzioni classiche: il tempo di esecuzione cresce come la radice quadrata della dimensione dell’input, anziché in modo lineare o peggiore. Questo tipo di miglioramento è particolarmente significativo per problemi su grandi moli di dati, rendendo realistiche applicazioni che altrimenti sarebbero computazionalmente proibitive.

L’importanza del risultato non è limitata all’informatica teorica, ma si estende a settori di forte rilevanza applicativa, in particolare alla bioinformatica. I problemi affrontati sono centrali nel confronto di sequenze biologiche, come DNA, RNA e proteine, dove l’individuazione di regioni comuni o di strutture palindromiche è fondamentale per l’analisi funzionale ed evolutiva. Algoritmi più efficienti permettono di analizzare grandi quantità di dati in tempi compatibili con le esigenze della ricerca biomedica, con potenziali ricadute in genetica, medicina e biotecnologie, inclusi contesti applicativi come lo studio dei patogeni e lo sviluppo di vaccini.

Il valore del lavoro risiede quindi nella sua duplice natura: da un lato introduce nuove tecniche nell’informatica quantistica teorica, dall’altro apre prospettive applicative di ampio respiro. La possibilità di ottenere uno speed-up quantistico su problemi centrali per la bioinformatica suggerisce scenari futuri di grande interesse, una volta che l’hardware quantistico raggiungerà un livello di maturità adeguato.

Il progetto riflette anche una forte integrazione tra attività di ricerca e didattica. Negli ultimi anni, l’Università di Catania ha investito in modo significativo nello sviluppo dell’informatica quantistica, sia sul piano scientifico sia formativo. Il nuovo corso di laurea magistrale in Informatica prevede sei curricula, uno dei quali interamente dedicato al Quantum Computing e all’HPC, inserendosi in un contesto di rilevanza nazionale e internazionale. Parallelamente, attività di divulgazione e formazione avanzata, come l’organizzazione dell’IBM Qiskit Fall Fest, hanno contribuito a diffondere competenze e consapevolezza tra studenti e giovani ricercatori.

La collaborazione tra Catania e Palermo si estende anche a livello nazionale: i ricercatori coinvolti sono responsabili delle rispettive sedi locali del Working Group del CINI sulle Quantum Technologies, contribuendo allo sviluppo coordinato della ricerca quantistica in Italia.

Pur riconoscendo che l’esecuzione su larga scala di questi algoritmi richiederà ancora anni di sviluppo dell’hardware quantistico, il lavoro svolto rappresenta un passo fondamentale dal punto di vista scientifico. La ricerca teorica svolge infatti il ruolo cruciale di preparare il terreno, affinché, quando le tecnologie saranno mature, gli algoritmi siano già disponibili e pronti all’uso.

Nel loro insieme, questi risultati confermano il ruolo della Sicilia come protagonista in un settore di frontiera quale l’informatica quantistica, dimostrando come la sinergia tra ricerca di base, formazione avanzata e collaborazione tra atenei possa produrre contributi di rilevanza internazionale, con ricadute che vanno oltre i confini dell’accademia.