Gli anyoni non abeliani possono eseguire qualsiasi calcolo quantistico, afferma un team guidato da Chicago

L'esperimento, pubblicato su Nature e annunciato dall'Università di Chicago il 25 settembre, ha combinato due meccanismi, l'intreccio (braiding) e la fusione, per produrre ciò che il team definisce un set di porte universale. Secondo ScienceDaily, che ha diffuso il comunicato dell'ateneo, il lavoro ha coinvolto la Pritzker School of Molecular Engineering dell'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 un computer generale funzionante.

Il risultato è importante perché la correzione degli errori è diventata il problema ingegneristico centrale del campo. I computer quantistici sono fragili: le informazioni vengono tipicamente distribuite su molti qubit fisici per resistere al rumore, ma quegli stati protetti di solito non possono eseguire tutte le operazioni di cui ha bisogno una macchina universale. Gli ingegneri colmano il divario con gli "stati magici", risorse preparate che richiedono un passaggio di purificazione chiamato distillazione, il quale può consumare una grande quota dei qubit disponibili di una macchina. Il nuovo articolo sostiene che gli anyoni non abeliani possano evitare del tutto quel costo.

"I codici non abeliani sono un outsider in grado di sorprendere nella corsa alla correzione degli errori quantistici", ha dichiarato Henrik Dreyer, direttore generale 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 i calcoli tolleranti ai guasti possono in principio essere eseguiti senza ricorrere alla distillazione o alla coltivazione di stati magici, che sono le operazioni più costose nei codici di correzione degli errori quantistici standard."

Gli anyoni non esistono come particelle autonome in natura. Gli scienziati li creano all'interno di circuiti entanglando molti qubit ordinari in uno stato collettivo che segue le proprie regole. Spostare un anyone attorno a un altro, un processo chiamato intreccio, cambia lo stato codificato; l'ordine di quegli spostamenti conta, ed è questo che significa "non abeliano". Poiché le informazioni sono distribuite sul gruppo entangled, sono anche protette da alcune piccole perturbazioni.

Un esperimento precedente del 2024 di alcuni degli stessi ricercatori ha creato anyoni legati a un gruppo di simmetria chiamato D4, le rotazioni e le riflessioni che lasciano invariato un quadrato, su una macchina a ioni intrappolati Quantinuum. Ciò ha mostrato che le particelle potevano essere create e spostate, ma l'intreccio da solo non era sufficiente per il calcolo universale.

"In quel lavoro, non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti fossero sufficienti per eseguire calcoli quantistici", ha dichiarato Ruben Verresen, professore associato di ingegneria molecolare alla PME dell'UChicago e coautore. "Quel particolare universo che abbiamo creato non era abbastanza potente."

Per il nuovo studio il team è passato a S3, il gruppo di simmetria di un triangolo equilatero, e ha costruito gli anyoni corrispondenti sul processore H2 di Quantinuum utilizzando 54 qubit entangled. Verresen ha descritto i codici come "la creazione di piccoli universi", in commenti rilasciati dall'università. L'affermazione dell'articolo è stretta e verificabile: questo particolare codice supporta un set di porte universale in hardware.

Nella stessa settimana, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha messo il suo peso dietro una domanda diversa: a cosa dovrebbero essere usati i computer quantistici. Il 25 settembre Fermilab ha pubblicato il Rapporto del Comitato Quantum SCAC, "Path to an Integrated Quantum Future", a seguito di un impegno su tutto il campo presieduto da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con il professore dell'Università di Chicago Supratik Guha come vicepresidente.

Il rapporto stabilisce un percorso basato su traguardi verso un computer quantistico con correzione degli errori e rilevanza scientifica entro il 2028 e schizza un piano in tre fasi: Grand Challenges competitive dal 2026 al 2028 che abbinano laboratori nazionali, università e industria; un DOE Quantum Computing User Facility, descritto nel rapporto come uno strumento scientifico aperto e non come un servizio cloud commerciale; e l'integrazione dei processori quantistici nell'infrastruttura di calcolo ad alte prestazioni e di intelligenza artificiale del DOE dal 2030 in poi. Le applicazioni target dichiarate includono la predizione molecolare per la scoperta di farmaci, i catalizzatori per la manifattura, i materiali rilevanti per la fusione e la fisica dell'universo primordiale.

I produttori di hardware spingono in parallelo sul lato criogenico. IBM ha dichiarato il 19 agosto di aver unito e raffreddato due sistemi criogenici modulari in un unico ambiente, 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 raggiungono sotto i 15 millikelvin, cosa che IBM descrive come più di 180 volte più fredda dello spazio profondo. IBM prevede di installare processori Nighthawk nei moduli più avanti quest'anno e mira ancora a una macchina tollerante ai guasti, Starling, nel 2029.

Tra i qubit e i frigoriferi c'è un problema meno visibile: modellare l'elettronica di controllo e 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 che estrae un modello compatto BSIM-BULK a temperatura ambiente e poi utilizza una rete neurale ibrida per imparare il comportamento criogenico residuo che il modello basato sulla fisica non può catturare, utilizzando dati di misurazione a 4 K o inferiori. L'articolo cita un tasso di crescita annuo composto del 4.000 per cento per il mercato del calcolo quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets, una previsione che dovrebbe essere trattata come una proiezione del fornitore e non come una misurazione.

Lette insieme, le due annunci di settembre puntano in direzioni opposte. Il risultato sugli anyoni è un'affermazione specifica e verificata in hardware su un percorso verso la tolleranza ai guasti, e i suoi autori sono espliciti nel dire che rimuove un passo costoso in principio e non in una macchina di produzione. La roadmap del DOE è un documento di politica con date e nessun nuovo esperimento dietro.

Un disaccordo da notare: il rapporto SCAC sostiene che il successo dovrebbe essere misurato dall'utilità scientifica e non da traguardi centrati sull'hardware, mentre la stessa roadmap si impegna ancora per una macchina con correzione degli errori entro il 2028. Quei due indicatori non sono la stessa cosa e il rapporto non li riconcilia.

La prova a breve termine è se altri gruppi possano riprodurre il set di porte universale S3 e se le operazioni basate sulla fusione scalino oltre i 54 qubit. Fino ad allora, l'outsider ha vinto una corsa, non la corsa.