Gli anyon non abeliani raggiungono il set di porte universale, la roadmap del DOE fissa la scadenza al 2028

Il risultato conta perché il calcolo quantistico universale è stato finora soprattutto la promessa dei qubit ordinari, quelli che immagazzinano informazione in due stati e nelle loro miscele quantistiche. Gli anyon non abeliani sono un'altra cosa. In natura non esistono come particelle a sé stanti. Gli scienziati li costruiscono dentro i circuiti intrecciando molti qubit convenzionali in uno stato collettivo che segue regole proprie.

«Abbiamo dimostrato un cosiddetto set di porte universale, cioè se si immagazzina informazione in queste versioni emergenti dei quark e le si sposta in giro, si può fare qualsiasi calcolo quantistico si voglia fare», ha detto Ruben Verresen, professore assistente di ingegneria molecolare alla Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e coautore dello studio. La citazione viene dall'articolo di ScienceDaily sul paper.

Al lavoro hanno partecipato ricercatori di UChicago PME, Harvard, Stony Brook University e Quantinuum. Il gruppo è passato a un gruppo di simmetria chiamato S3, le rotazioni e i ribaltamenti speculari che lasciano invariato un triangolo equilatero, e ha creato gli anyon corrispondenti sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum.

Perché conta la fusione, non solo il braiding

Due anni fa un gruppo che includeva Verresen aveva usato un computer a ioni intrappolati di Quantinuum per creare anyon legati a un altro gruppo di simmetria, D4, che descrive le rotazioni e le riflessioni che lasciano invariato un quadrato. Quell'esperimento del 2024 mostrava che le particelle si potevano creare e manipolare. Non mostrava che il solo braiding bastasse a eseguire ogni operazione necessaria a una macchina universale.

«In quel lavoro non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti fossero sufficienti a fare calcolo quantistico», ha detto Verresen. «Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente».

Il nuovo esperimento unisce il braiding alla fusione, il processo con cui gli anyon si uniscono, per coprire l'intera gamma di operazioni. È il vuoto tecnico che il paper dichiara di colmare. ScienceDaily descrive l'approccio come potenzialmente più efficiente della via standard, che si affida agli stati magici prodotti per distillazione, una fase di purificazione che può consumare una frazione consistente dei qubit di una macchina.

«I codici non abeliani sono un cavallo scuro 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.

L'affermazione di Dreyer, riportata anche da ScienceDaily, va oltre: il lavoro mostra, secondo lui, che calcoli fault-tolerant si possono in linea di principio fare senza distillazione o coltivazione di stati magici, descritte come le operazioni più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici. ScienceDaily ha pubblicato il suo resoconto il 27 settembre.

Il DOE vuole utilità scientifica entro il 2028

Lo stesso fine settimana ha portato un documento politico con una scadenza allegata. Il Fermilab ha annunciato il 27 settembre che il Department of Energy aveva pubblicato una roadmap nazionale per il calcolo quantistico, scritta da una sottocommissione dell'Office of Science Advisory Committee e presieduta da Anna Grassellino, chief technology officer del Fermilab, con il professore dell'Università di Chicago Supratik Guha come vicepresidente.

Il rapporto, intitolato «SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future», delinea tre fasi. La fase I va dal 2026 al 2028 e prevede sfide competitive e multidisciplinari che mettono insieme laboratori nazionali, università e industria. La fase II prevede una DOE Quantum Computing User Facility, che il rapporto descrive come strumento scientifico aperto e non come servizio cloud commerciale. La fase III, dal 2030 in poi, immagina co-processori quantistici, simulatori e sensori inseriti nelle reti di AI e calcolo ad alte prestazioni del DOE.

L'obiettivo dichiarato non è il computer quantistico più grande, ma problemi altrimenti intrattabili: prevedere proprietà molecolari per la scoperta di farmaci, progettare catalizzatori, simulare materiali rilevanti per la fusione e modellare la fisica dell'universo primordiale. L'annuncio del Fermilab dice che la roadmap punta a dimostrare un computer quantistico corretto per gli errori e scientificamente rilevante entro il 2028.

Hardware e modellazione continuano a muoversi sotto

IBM ha riferito il 19 agosto di aver collegato e raffreddato due moduli criogenici in un unico ambiente, un passo verso il collegamento di centinaia di chip quantistici. Secondo il comunicato di IBM, i due moduli sono alti e larghi più di 8 piedi, si raffreddano a 4 Kelvin in meno di cinque giorni e scendono sotto i 15 millikelvin poco dopo. IBM dice che il design offre fino a 12 volte più spazio per il cablaggio rispetto ai suoi sistemi quantistici più diffusi, e ripete un obiettivo di roadmap: una macchina fault-tolerant, IBM Quantum Starling, nel 2029.

«La connessione e il funzionamento riusciti di questi moduli criogenici segnalano un balzo in avanti in quella direzione», ha detto Jay Gambetta, director di IBM Research e IBM Fellow, nel comunicato. IBM dice che installerà i processori Nighthawk nei moduli entro la fine dell'anno.

Più lontano dai titoli, un post sponsorizzato su SemiEngineering datato 24 settembre descrive un collo di bottiglia diverso: l'elettronica di controllo e lettura che affianca i wafer di qubit a temperature criogeniche. Il post, di Keysight, cita un tasso di crescita annuo composto del 41,8% per il mercato del calcolo quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets, e descrive un approccio ibrido che adatta un modello compatto BSIM-BULK a temperatura ambiente, poi usa reti neurali per apprendere il comportamento residuo a 4 Kelvin che il modello fisico non riesce a catturare.

Quelli sono problemi di ingegneria, non annunci. Decideranno se qualcosa di quanto sopra arriverà nei tempi previsti.

Il dossier non dice quando il paper di Nature è apparso online, solo che ScienceDaily ne ha parlato il 27 settembre. Non fornisce nemmeno un tasso di errore per la dimostrazione a 54 qubit, quindi qui resta non quantificata la distanza pratica tra un set di porte universale su H2 e una macchina utile. L'obiettivo 2028 della roadmap del DOE è una tappa verso l'utilità scientifica, non la rivendicazione che una macchina del genere esista oggi.