Due traguardi quantistici in tre giorni: gate universali e una roadmap del DOE

Due sviluppi sono arrivati a circa 25 ore di distanza l'uno dall'altro. Il 27 settembre ScienceDaily ha riportato un insieme di gate universali basato su anioni non abeliani. Il gruppo riuniva University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvard, Stony Brook University e Quantinuum. Il lavoro è stato eseguito sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum. Lo stesso giorno Fermilab ha pubblicato la roadmap nazionale per il calcolo quantistico del Dipartimento dell'Energia. A guidarla è stato un sottocomitato dell'Office of Science Advisory Committee.

In entrambi i casi si parla di indirizzi, non di macchine finite. Il primo riguarda una via alla correzione degli errori. Il secondo riguarda come il governo statunitense intende misurare i progressi su quella via.

Cosa è stato dimostrato davvero

Il risultato sottoposto a revisione paritaria è apparso su Nature, secondo ScienceDaily. Ha usato 54 qubit entangled per creare anioni legati a un gruppo di simmetria chiamato S3. Quel gruppo è formato dalle rotazioni e riflessioni che lasciano invariato un triangolo equilatero. Il gruppo ha combinato due operazioni, braiding e fusione. Ne è risultato quello che il coautore Ruben Verresen ha chiamato un insieme di gate universali. Verresen è professore assistente alla UChicago PME.

Abbiamo dimostrato un cosiddetto insieme di gate universali, il che significa che se si immagazzina informazione in queste versioni emergenti dei quark e le si sposta, si può eseguire qualsiasi calcolo quantistico si voglia fare.

La formulazione conta. Gli anioni non abeliani non si trovano in natura come particelle autonome. Un circuito quantistico li crea intrecciando molti qubit ordinari in uno stato collettivo. Quello stato si comporta come una nuova particella con regole proprie. Nel 2024 un gruppo che includeva Verresen ha usato una macchina a ioni intrappolati di Quantinuum per creare anioni legati a un diverso gruppo di simmetria, D4. Il solo braiding di quegli anioni non bastava per il calcolo universale. Il nuovo lavoro passa a S3 e aggiunge la fusione.

Qui sta l'argomento pratico. I computer quantistici sono soggetti a errori, quindi l'informazione viene di solito distribuita su molti qubit fisici. Quei codici di correzione degli errori proteggono i dati. Ma di norma non forniscono ogni operazione necessaria al calcolo universale sull'informazione protetta. Gli ingegneri colmano la lacuna con gli stati magici. Questi richiedono una costosa fase di purificazione chiamata distillazione. Henrik Dreyer è managing director e responsabile scientifico dell'ufficio di Monaco di Quantinuum. Nel resoconto di ScienceDaily ha detto che il risultato mostra come il calcolo fault-tolerant possa in linea di principio essere fatto senza distillazione o coltivazione di stati magici.

Il titolo di ScienceDaily definisce gli anioni non abeliani un cavallo di razza outsider. Dreyer ha usato la stessa espressione. Va letta come una rivendicazione di posizione da parte di chi ha interesse nell'approccio. Non è una posizione condivisa da tutto il settore.

La roadmap e le sue tappe

Il rapporto del DOE si intitola "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future". Fissa un obiettivo scandito da tappe. Il traguardo è un computer quantistico con correzione degli errori e rilevanza scientifica entro il 2028. Fermilab riferisce che il sottocomitato era presieduto da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab. Supratik Guha della UChicago PME era vicepresidente. Il processo di consultazione ha coinvolto laboratori nazionali, università, industria e agenzie federali. Hanno partecipato centinaia di contributori.

Il documento propone tre fasi. La Fase I va dal 2026 al 2028. Istituisce Grand Challenges competitive che mettono insieme laboratori nazionali, università e industria attorno a obiettivi scientifici specifici. La Fase II prevede la pianificazione e la costruzione di una DOE Quantum Computing User Facility. Il rapporto la descrive come uno strumento scientifico aperto, non come un servizio cloud commerciale. La Fase III, dal 2030 in poi, immagina coprocessori quantistici, simulatori e sensori. Sarebbero integrati nell'infrastruttura esistente del DOE per l'AI e il calcolo ad alte prestazioni.

La misura dichiarata del successo è l'utilità scientifica, non il numero di qubit. Il rapporto elenca diversi problemi obiettivo. Tra questi la previsione delle proprietà molecolari per la scoperta di farmaci, la progettazione di catalizzatori, la simulazione di materiali rilevanti per la fusione e la modellizzazione della fisica del primo universo. Si impegna anche a una posizione tecnologicamente neutrale sull'hardware. Il dettaglio conta, visti gli approcci concorrenti che oggi ricevono finanziamenti.

L'hardware sotto

Nessuno dei due elementi avrebbe molto senso senza la refrigerazione e l'elettronica di controllo attorno ai qubit. Il 19 agosto IBM ha annunciato di aver collegato e raffreddato due moduli criogenici in un unico ambiente. L'azienda lo definisce un passo verso il collegamento di centinaia di chip quantistici. IBM afferma che i moduli scendono sotto i 15 millikelvin. Sono progettati per la sua tecnologia L-coupler, che connette processori quantistici separati. La roadmap di IBM punta ad almeno 1.000 qubit programmabili entro il 2027. Punta anche a un sistema fault-tolerant, IBM Quantum Starling, nel 2029.

Jay Gambetta, direttore di IBM Research, ha definito la connessione e il funzionamento dei moduli un balzo avanti in quella direzione. È una dichiarazione aziendale sulla propria roadmap. L'obiettivo del 2029 resta non dimostrato.

C'è anche il problema meno visibile di modellare l'elettronica che sta accanto ai qubit. Semiconductor Engineering ha pubblicato il 24 settembre un blog sponsorizzato. Descrive un flusso di lavoro per estrarre modelli compatti di dispositivo a temperatura ambiente. Il flusso usa poi reti neurali ibride per apprendere il comportamento criogenico residuo sotto i 4 Kelvin. Cita un tasso di crescita annuo composto del 41,8% per il mercato del calcolo quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets. Il materiale è sponsorizzato da un fornitore e il dato di mercato viene da una sola società di ricerca. Vanno presi entrambi con la solita cautela.

Cosa tenere d'occhio

• Se il risultato su S3 viene riprodotto su altro hardware, e quanti qubit fisici consuma davvero l'operazione completa.
• Chi vince le Grand Challenges della Fase I, e se l'obiettivo del 2028 sopravvive all'impatto con i budget.
• Le installazioni del processore Nighthawk di IBM nei moduli criogenici, previste per la fine di quest'anno.
• Se il linguaggio tecnologicamente neutrale del DOE regge quando iniziano gli acquisti.

I tre filoni non si incontrano ancora. Un insieme di gate universali su 54 qubit è un risultato di laboratorio. Una roadmap è un piano. I moduli criogenici sono ingegneria. Il divario tra loro è la storia. Non si sta chiudendo secondo un calendario che qualcuno abbia pubblicato.