Lagrange: Operating Italy's First Publicly-Accessible Quantum Computer for Research and Education

Questo articolo descrive la progettazione, l'implementazione e l'esperienza operativa di nove mesi del middleware gestionale per Lagrange, il primo computer quantistico pubblico in Italia, che abilita l'accesso a studenti e ricercatori attraverso un sistema di controllo delle risorse e di equità sviluppato internamente, garantendo un'uptime superiore al 98% e un utilizzo didattico innovativo durante lezioni ed esami.

L'essenziale

🇮🇹 Lagrange: Il "Primo Supercomputer Quantistico Pubblico" d'Italia (e come funziona)

Immaginate di avere un motore di Formula 1 appena costruito. È potentissimo, velocissimo e costoso. Ma se lo lasciate in garage senza regole, cosa succede?

• Chiunque abbia le chiavi può guidarlo.
• Non c'è un contachilometri per sapere chi ha consumato quanto benzina.
• Se due persone provano a guidarlo contemporaneamente, si crea un caos.
• Non c'è un modo per dire: "Oggi tocca a te, domani tocca a me".

Questo è esattamente il problema che si sono trovati di fronte quando LINKS Foundation, il Politecnico di Torino e l'INRiM (l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica) hanno comprato il loro primo computer quantistico, chiamato Lagrange (un modello IQM Spark con 5 "qubit", che sono come i bit dei nostri computer, ma molto più strani e potenti).

Il computer arrivava "nudo": funzionava, ma non aveva un sistema per gestire chi lo usa, quanto paga o come si divide il tempo.

Ecco come hanno risolto il problema, creando un sistema che chiamiamo "Il Portiere Intelligente".

1. Il Problema: Un Computer Senza Regole

Quando il computer è arrivato nel 2025, era come un'auto senza targa e senza assicurazione. Chiunque avesse una password poteva accenderlo e usarlo all'infinito.

• Il rischio: Un ricercatore avrebbe potuto bloccare il computer per giorni, impedendo agli studenti di fare i compiti o agli altri laboratori di lavorare.
• Il bisogno: Serviva un modo per dire: "Tu hai pagato per 10 minuti di uso", "Tu hai prenotato l'orario delle 14:00", e "Tu non puoi usare più di 5 minuti alla volta".

2. La Soluzione: Il "Portiere" (Middleware)

Gli autori hanno costruito un software speciale, chiamato Lagrange Management Stack. Immaginatelo come un portiere molto educato ma severo che si siede proprio davanti all'ingresso del computer quantistico.

Ecco cosa fa questo "Portiere":

• 🕵️‍♂️ Il Controllo Passaporti (Autenticazione):
  Quando uno studente o un ricercatore vuole usare il computer, il portiere controlla la sua tessera universitaria o il suo badge aziendale. Non serve creare nuovi account complicati: usa quelli che hanno già (come se il portiere conoscesse tutti i vicini di casa).
• 💰 Il Contachilometri (Fatturazione):
  Ogni progetto ha un "budget" di tempo (es. 1000 minuti di calcolo). Il portiere tiene il conto. Se il tuo progetto ha finito i minuti, il portiere ti dice gentilmente: "Mi dispiace, devi ricaricare il conto prima di ripartire".
• ⏱️ La Prenotazione (Riservazione):
  Se il Politecnico ha prenotato il pomeriggio per una lezione, il portiere chiude la porta agli altri. Se un laboratorio di ricerca ha un appuntamento alle 10:00, il portiere gli lascia passare solo loro.
• ⚖️ L'Equità (Fairness):
  Il portiere impedisce che una sola persona occupi tutto il computer. Se provi a mandare 1000 compiti tutti insieme, il portiere ti dice: "Ferma un attimo, aspetta che finiscano gli altri".

3. La Magia: "Invisibile" per l'Utente

La cosa più geniale di questo sistema è che è invisibile.
Immaginate di andare in un ristorante. Il cameriere (il software) prende il vostro ordine, controlla se avete i soldi, lo porta in cucina e vi porta il piatto. Voi non vedete la cucina, non sapete come è stato cucinato il cibo, ma il piatto arriva.

Allo stesso modo, gli studenti e i ricercatori usano i loro programmi normali (come Qiskit o Cirq) dal loro laptop. Non devono imparare nuovi comandi strani. Il "Portiere" intercetta la loro richiesta, fa i controlli necessari e poi la lascia passare al computer quantistico. Per loro, sembra che stiano parlando direttamente con la macchina, ma in realtà stanno passando attraverso un sistema di gestione molto intelligente.

4. A Cosa Serve? (L'Esperienza Reale)

Dopo 9 mesi di funzionamento, il sistema ha gestito 240.000 compiti (job). Ma la parte più incredibile è l'uso educativo:

• Lezioni in classe: Gli studenti del Politecnico usano il computer vero durante le lezioni.
• Esami: Sì, avete capito bene. Gli studenti fanno esami scritti dove devono programmare e far girare i loro codici sul computer quantistico reale, proprio come farebbero con un calcolatore normale.
• Ricerca: I ricercatori dell'INRiM lo usano per misurazioni di precisione estrema.

È la prima volta in Europa che un computer quantistico è usato così intensamente sia per la ricerca avanzata che per gli esami scolastici.

5. Perché è Importante?

Prima di questo progetto, se volevi un computer quantistico in un'università, dovevi affidarti a servizi cloud (come quelli di IBM o Amazon), che sono come "noleggiare un'auto a distanza": non sai cosa succede sotto il cofano e non puoi controllarlo come vuoi.

Con Lagrange, l'Italia ha dimostrato che si può avere un computer quantistico in casa propria, gestito dalle nostre istituzioni, con regole chiare, fatturazione precisa e accesso per tutti. È come passare dal noleggiare un'auto a possederne una, con il proprio meccanico di fiducia che tiene tutto in ordine.

In Sintesi

Il paper racconta la storia di come un gruppo di italiani abbia costruito il "sistema operativo" e le "regole di convivenza" per il primo computer quantistico pubblico d'Italia. Hanno trasformato una macchina complessa e costosa in uno strumento accessibile, equo e perfetto per insegnare ai giovani come funziona il futuro dell'informatica.

Il messaggio finale: Non serve essere geni della fisica per usare un computer quantistico; serve solo un buon "portiere" che organizzi tutto in modo che tutti possano giocare insieme senza litigare! 🚀🇮🇹

Sommario tecnico

Titolo: Lagrange: Gestione del Primo Computer Quantistico Pubblico in Italia per Ricerca e Formazione

1. Il Problema

La diffusione di computer quantistici superconduttori (come quelli di IQM, IBM, Rigetti) presso le istituzioni di ricerca ha creato una sfida operativa specifica: mentre l'hardware è disponibile, il software di gestione fornito dai vendor è spesso insufficiente per ambienti multi-tenant condivisi.

• Mancanza di gestione delle risorse: I sistemi vendor offrono spesso solo l'autenticazione, ma non gestiscono la fatturazione, la gestione dei progetti, l'equità di accesso (fair usage) o la pianificazione delle prenotazioni.
• Limiti delle soluzioni cloud: Le piattaforme cloud (IBM Quantum, AWS Braket) risolvono questi problemi internamente, ma sono chiuse, non deployabili on-premise e non permettono il controllo totale all'operatore.
• Complessità istituzionale: Il caso di studio "Lagrange" coinvolge tre enti con accordi eterogenei (LINKS Foundation, Politecnico di Torino, INRiM) e utenti diversificati (ricercatori, studenti, pubblico), richiedendo una gestione ibrida di budget, slot pre-allocati e code aperte, che i sistemi standard non supportano nativamente.
• Necessità di trasparenza: Esisteva il rischio che l'introduzione di un gestore di risorse (es. SLURM) avrebbe rotto il flusso di lavoro diretto degli utenti (API native), rendendo difficile l'uso in contesti educativi e di ricerca agile.

2. Metodologia e Architettura del Sistema

Gli autori hanno sviluppato un middleware modulare chiamato QC Gateway, che agisce come un proxy trasparente per le API REST del computer quantistico IQM Spark (5 qubit). L'approccio si basa su due principi fondamentali: Trasparenza e Estendibilità.

• Architettura a Proxy Trasparente:

  • Il middleware intercetta le chiamate API del client (Qiskit, Cirq, Qrisp) senza modificare il codice sorgente dell'utente.
  • Gli utenti utilizzano le librerie client standard, puntando semplicemente l'URL del server al gateway gestito da LINKS.
  • Non è richiesto l'accesso SSH a un nodo head (escluso l'uso di batch scheduler come SLURM come meccanismo primario), preservando il flusso di lavoro diretto.

• Struttura a Plugin:

  • Il sistema separa la logica specifica del vendor (IQM) dalle politiche specifiche del sito (LINKS/Politecnico).
  • Plugin Vendor: Gestisce il parsing delle richieste, il polling dello stato dei job e la manipolazione degli header per IQM.
  • Plugin Sito: Implementa le regole di autorizzazione, fatturazione, gestione dei budget e delle prenotazioni. Questa architettura permette di riutilizzare il middleware per futuri hardware di altri vendor.

• Componenti Chiave:

  • QC Gateway (FastAPI): Middleware Python che valida i token OIDC, controlla i limiti di concorrenza, autorizza i job in base al budget e inoltra le richieste all'hardware.
  • Backend API: Gestisce lo stato persistente (PostgreSQL) di organizzazioni, progetti, utenti, slot temporali e registri di fatturazione.
  • Keycloak: Fornisce l'identità federata (SSO) integrando credenziali istituzionali (Politecnico, INRiM) e interne (GitLab LINKS).
  • Storage: MinIO (S3-compatible) per la conservazione a lungo termine di circuiti, risultati e report di calibrazione, indipendentemente dallo storage interno della macchina.
  • Job Reporter: Un demone in background che polla lo stato dei job, scarica i risultati e aggiorna i contatori di budget e concorrenza.

• Infrastruttura: Il software è containerizzato (Docker/Docker Compose) e ospitato su un cloud privato OpenStack, con monitoraggio tramite Grafana e Prometheus.

3. Contributi Chiave

• Primo sistema on-premise multi-tenant in Italia: Implementazione di una soluzione che permette la condivisione di un computer quantistico tra enti diversi con modelli di fatturazione e accesso eterogenei (budget a progetto, slot pre-allocati, code best-effort).
• Integrazione Educativa Unica: Abilitazione dell'uso del computer quantistico reale durante lezioni e esami formali al Politecnico di Torino, una pratica ritenuta unica in Europa.
• Architettura di Middleware Riutilizzabile: La separazione logica tra plugin vendor e sito offre un blueprint riutilizzabile per altre istituzioni che desiderano gestire hardware quantistico on-premise senza dipendere da soluzioni cloud chiuse.
• Gestione della Fatturazione e Fairness: Implementazione di un sistema che associa ogni job a un progetto, applica limiti di budget (in millisecondi QPU) e impedisce l'abuso della coda tramite limiti di concorrenza per utente (basati sul numero totale di "shots" attivi).

4. Risultati Operativi

Dopo nove mesi di operatività (da settembre 2025 ad aprile 2026):

• Volume di lavoro: Elaborati oltre 240.000 job quantistici, per un totale di oltre una settimana di tempo di esecuzione QPU.
• Affidabilità: Il sistema ha mantenuto un uptime superiore al 98%, un dato notevole per hardware quantistico on-premise soggetto a ricalibrazioni e aggiornamenti firmware.
• Utenti: Oltre 500 utenti serviti, inclusi più di 350 studenti.
• Scalabilità Educativa: Gli studenti hanno utilizzato la macchina regolarmente per esercizi di laboratorio ed esami finali, dimostrando la stabilità del sistema sotto carichi di picco (sessioni d'esame).
• Adattabilità: Il sistema ha gestito senza modifiche architetturali casi d'uso molto diversi, dalla metrologia di precisione (INRiM) all'insegnamento di massa.

5. Significato e Impatto

Il lavoro di Lagrange dimostra che i computer quantistici su piccola scala possono essere operati come infrastrutture di ricerca condivise e multi-tenant con lo stesso livello di gestione dei servizi tipico degli HPC (High Performance Computing).

• Democratizzazione dell'Accesso: Fornisce un modello per rendere l'hardware quantistico accessibile non solo ai ricercatori senior, ma anche agli studenti, accelerando la formazione della forza lavoro nel settore.
• Indipendenza dal Vendor: Sposta il controllo della gestione delle risorse dall'azienda produttrice all'istituzione ospitante, permettendo politiche di accesso flessibili e personalizzate.
• Riproducibilità: La documentazione e il codice sorgente (QC Gateway) sono resi pubblici, offrendo una soluzione pratica per altre istituzioni europee e globali che intendono installare hardware quantistico on-premise.

In sintesi, il paper non descrive solo un'implementazione tecnica, ma valida un modello operativo sostenibile per l'ecosistema quantistico europeo, colmando il divario tra la disponibilità dell'hardware e la necessità di una gestione amministrativa e didattica sofisticata.