Gli anyon non abeliani possono eseguire qualsiasi calcolo quantistico, secondo il team guidato da Chicago

L'esperimento è stato pubblicato su Nature ed è stato annunciato dall'Università di Chicago il 25 settembre. Il gruppo ha combinato braiding e fusione per ottenere un set di porte universale. ScienceDaily ha ripreso il comunicato dell'università. Nel testo si legge che al lavoro hanno partecipato la Pritzker School of Molecular Engineering della UChicago, Harvard, la Stony Brook University e Quantinuum.

Universale significa che una macchina può eseguire qualsiasi algoritmo quantistico, non solo un compito specializzato. Il risultato è una prova di principio su 54 qubit. Non è un computer general-purpose funzionante.

La correzione degli errori è il problema ingegneristico centrale del settore. I computer quantistici sono fragili. Di solito l'informazione viene distribuita su molti qubit fisici per resistere al rumore. Ma quegli stati protetti non riescono di norma a eseguire ogni operazione che serve a una macchina universale. Gli ingegneri colmano il vuoto con i "magic states", risorse preparate che richiedono una fase di purificazione chiamata distillazione. Questo processo può divorare una quota consistente dei qubit disponibili su una macchina. Il nuovo articolo sostiene che gli anyon non abeliani potrebbero evitare del tutto questo costo.

"I codici non abeliani sono un cavallo oscuro nella corsa alla correzione degli errori quantistici", ha detto Henrik Dreyer, managing director e responsabile scientifico dell'ufficio di Monaco di Quantinuum e coautore dello studio. "In questo lavoro mostriamo il primo set di porte universale in un codice non abeliano, il che dimostra che in linea di principio è possibile eseguire calcoli fault-tolerant senza ricorrere alla distillazione o alla coltivazione dei magic state, che sono le operazioni più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici."

Gli anyon non esistono come particelle isolate in natura. Gli scienziati li creano dentro i circuiti. Entangled molti qubit ordinari in uno stato collettivo che obbedisce a regole proprie. Spostare un anyon intorno a un altro è un processo chiamato braiding. Cambia lo stato codificato. L'ordine di questi spostamenti conta, ed è questo che significa "non abeliano". Poiché l'informazione è distribuita sul gruppo entangled, è anche schermata da alcune piccole perturbazioni.

Un precedente esperimento del 2024, firmato da alcuni degli stessi ricercatori, aveva creato anyon legati a un gruppo di simmetria chiamato D4. Quel gruppo è formato dalle rotazioni e riflessioni che lasciano invariato un quadrato. Il lavoro era stato eseguito su una macchina a ioni intrappolati di Quantinuum. Aveva mostrato che le particelle potevano essere create e spostate. Ma il solo braiding non bastava per il calcolo universale.

"In quel lavoro non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti fossero sufficienti a fare calcolo quantistico", ha detto Ruben Verresen, assistant professor di ingegneria molecolare alla UChicago PME e coautore. "Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente."

Per il nuovo studio il team è passato a S3, il gruppo di simmetria di un triangolo equilatero. Ha costruito gli anyon corrispondenti sul processore H2 di Quantinuum usando 54 qubit entangled. Verresen ha descritto i codici come "piccoli universi in creazione", in commenti diffusi dall'università. La tesi dell'articolo è stretta e verificabile: questo specifico codice supporta un set di porte universale su hardware reale.

Nella stessa settimana il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha affrontato una questione diversa: a cosa dovrebbero servire i computer quantistici. Il 25 settembre Fermilab ha pubblicato il SCAC Quantum Committee Report, "Path to an Integrated Quantum Future". Il rapporto è il frutto di un lavoro esteso a tutto il settore, presieduto dal chief technology officer di Fermilab Anna Grassellino, con la professoressa dell'Università di Chicago Supratik Guha come vicepresidente.

Il rapporto traccia un percorso scandito da traguardi verso un computer quantistico con correzione degli errori e rilevanza scientifica entro il 2028. Delinea un piano in tre fasi. La prima prevede Grand Challenges competitive dal 2026 al 2028, che mettono insieme laboratori nazionali, università e industria. La seconda è una DOE Quantum Computing User Facility, descritta nel rapporto come uno strumento scientifico aperto e non come un servizio cloud commerciale. La terza integra i processori quantistici nelle infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni e di intelligenza artificiale del DOE a partire dal 2030. Tra le applicazioni indicate ci sono la previsione molecolare per la scoperta di farmaci, i catalizzatori per la produzione industriale, i materiali rilevanti per la fusione e la fisica dell'universo primordiale.

I produttori di hardware spingono in parallelo sul fronte criogenico. Il 19 agosto IBM ha annunciato di aver collegato e raffreddato due sistemi criogenici modulari in un unico ambiente. È un passo verso il collegamento di centinaia di chip quantistici. I moduli sono alti più di 8 piedi e larghi 8 piedi. Si raffreddano a 4 Kelvin in meno di cinque giorni e scendono sotto i 15 millikelvin. IBM li descrive come oltre 180 volte più freddi dello spazio profondo. L'azienda prevede di installare i processori Nighthawk nei moduli entro la fine dell'anno. Punta ancora a una macchina fault-tolerant, Starling, nel 2029.

Tra i qubit e i frigoriferi c'è un problema meno visibile: modellare l'elettronica di controllo e di lettura che deve funzionare a pochi gradi sopra lo zero assoluto. Un articolo sponsorizzato pubblicato da Semiconductor Engineering il 24 settembre descrive un flusso di lavoro. Estrae un modello compatto BSIM-BULK a temperatura ambiente. Poi usa una rete neurale ibrida per apprendere il comportamento criogenico residuo che il modello fisico non riesce a catturare, usando dati di misura a 4 K o inferiori. L'articolo cita un tasso di crescita annuo composto del 41,8% per il mercato del calcolo quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets. È una proiezione lato fornitore, non una misura.

I due annunci di settembre puntano in direzioni opposte. Il risultato sugli anyon è una tesi precisa, verificata su hardware, su una via alla tolleranza ai guasti. I suoi autori dicono esplicitamente che elimina in linea di principio una fase costosa, non su una macchina di produzione. La roadmap del DOE è un documento politico con date e senza nuovi esperimenti dietro. Il mercato del calcolo quantistico, secondo la proiezione citata, vale 4.000 di dollari nel 2025 e cresce fino al 2030.

Un disaccordo salta all'occhio. Il rapporto SCAC sostiene che il successo vada misurato dall'utilità scientifica e non da traguardi incentrati sull'hardware. Eppure la stessa roadmap promette comunque una macchina con correzione degli errori entro il 2028. Sono due metri diversi, e il rapporto non li concilia.

Il test a breve termine è se altri gruppi riusciranno a riprodurre il set di porte universale su S3. È anche se le operazioni basate sulla fusione scaleranno oltre i 54 qubit. Fino ad allora il cavallo oscuro ha vinto una corsa, non la corsa.