La promessa di universalità del calcolo quantistico arriva lo stesso fine settimana di una roadmap nazionale

Il risultato è apparso su Nature, secondo l'articolo di ScienceDaily datato 27 settembre. Il team ha combinato due operazioni, braiding e fusione, su 54 qubit entangled del processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum, usando un gruppo di simmetria chiamato S3: le rotazioni e le riflessioni che lasciano invariato un triangolo equilatero.

Ruben Verresen, professore assistente alla Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e coautore, è citato nel comunicato mentre descrive l'esito in termini semplici. "Abbiamo dimostrato un cosiddetto set universale di porte, 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", ha detto.

Il lavoro ha coinvolto UChicago PME, Harvard, la Stony Brook University e Quantinuum. Si basa su un esperimento del 2024 di alcuni degli stessi ricercatori, che aveva creato anyoni legati a un diverso gruppo di simmetria, D4, su hardware Quantinuum. Quella prova precedente aveva dimostrato che le particelle potevano essere create e manipolate. Non aveva dimostrato che fossero sufficienti per calcolare.

Perché un set di porte conta più del numero di qubit

Il divario tra proteggere l'informazione quantistica e calcolare su di essa è il problema ingegneristico centrale del settore. La correzione degli errori distribuisce un qubit logico su molti qubit fisici, il che mantiene vivi i dati ma di solito non concede a ogni operazione quella universalità di cui una macchina ha bisogno. Gli ingegneri colmano la lacuna con gli stati magici, prodotti attraverso un processo di purificazione chiamato distillazione.

La distillazione costa. Consuma una quota consistente dei qubit disponibili di una macchina, esattamente la risorsa di cui tutti sono a corto. Il nuovo articolo sostiene che gli anyoni non abeliani potrebbero aggirare questo passaggio. Henrik Dreyer, managing director e responsabile scientifico dell'ufficio di Monaco di Quantinuum e coautore, è citato mentre definisce i codici non abeliani "un cavallo scuro nella corsa alla correzione degli errori quantistici" e afferma che il lavoro mostra come il calcolo fault-tolerant possa in linea di principio procedere senza distillazione o coltivazione degli stati magici.

Si tratta di un'affermazione su una possibile strada, non di una macchina già realizzata. L'esperimento ha utilizzato 54 qubit e ha dimostrato un set di porte. Non ha dimostrato un algoritmo utile su scala, e nel comunicato non viene indicato alcun numero di qubit logici corretti per errori.

La formulazione dello stesso Verresen è istruttiva. "In quel lavoro, non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti fossero sufficienti per fare calcolo quantistico", ha detto riferendosi all'esperimento del 2024. "Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente".

Washington pubblica la propria tabella di marcia, con il 2028

Lo stesso giorno, Fermilab ha ripubblicato un articolo dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia che annunciava l'uscita dello "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future". La roadmap è stata guidata da una sottocommissione presieduta da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con Supratik Guha della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago come vicepresidente.

Il rapporto definisce un percorso a tappe verso la dimostrazione dell'utilità scientifica del calcolo quantistico, con l'obiettivo dichiarato di un computer quantistico scientificamente rilevante e corretto per errori entro il 2028. Propone tre fasi: Quantum Grand Challenges competitive dal 2026 al 2028 che coinvolgono laboratori nazionali, università e industria; una DOE Quantum Computing User Facility costruita sulle lezioni di quelle sfide; e, dal 2030, l'integrazione di co-processori quantistici nell'infrastruttura di calcolo ad alte prestazioni e di intelligenza artificiale del dipartimento.

Il testo del DOE è esplicito nel dire che la struttura non è pensata come un servizio cloud commerciale. Descrive uno strumento scientifico aperto in cui i ricercatori co-sviluppano hardware, sistemi di controllo e software insieme ai fornitori, e si impegna a mantenere una posizione tecnologicamente neutrale. Le applicazioni indicate sono problemi di chimica e materiali: proprietà molecolari per la scoperta di farmaci, catalizzatori per la manifattura, materiali rilevanti per la fusione e fisica dell'universo primordiale.

Una frase nell'articolo di Fermilab va separata dal resto. Il DOE afferma che il successo deve essere misurato dall'utilità scientifica, non dal computer quantistico più grande. È un argomento politico oltre che tecnico.

Tre strade hardware, tre scommesse diverse

Il fine settimana ha prodotto anche un secondo risultato di ricerca. ScienceDaily ha riferito il 26 settembre che ricercatori guidati dal Duke Quantum Center hanno usato un simulatore quantistico a ioni intrappolati da 13 ioni per riprodurre il string breaking, un processo collegato alla formazione di particelle e antiparticelle dopo il Big Bang. L'articolo è stato pubblicato il 23 settembre su Nature Physics, con collaboratori dell'Università del Maryland, Oxford, Caltech, Cornell e KU Leuven.

Christopher Monroe di Duke, che ha guidato la ricerca, è citato mentre afferma che le simulazioni su computer quantistico sono la migliore piattaforma disponibile per domande come la formazione della materia "senza aver assistito al Big Bang stesso". Il team ha verificato i risultati quantistici con un calcolo classico, e i due concordavano, cosa che il comunicato nota essere attesa a questa piccola scala.

Poi c'è la tabella di marcia industriale. IBM ha annunciato il 19 agosto, in un comunicato datato 19 agosto e emerso in questo dossier il 21 settembre, di aver unito e raffreddato due moduli criogenici in un unico ambiente, raggiungendo temperature inferiori a 15 millikelvin. Ogni modulo offre fino a 12 volte più spazio per il cablaggio rispetto ai sistemi quantistici IBM più diffusi, e IBM prevede di installare i processori Quantum Nighthawk nei moduli entro la fine dell'anno, in una roadmap verso un sistema da 1.000 qubit programmabili nel 2027 e il fault-tolerant IBM Quantum Starling nel 2029.

Jay Gambetta, direttore di IBM Research, è citato mentre definisce la connessione dei moduli "un balzo in avanti" verso la tolleranza ai guasti. Notate le date: l'obiettivo di IBM si colloca un anno dopo la milestone dichiarata dal DOE per il 2028, un computer scientificamente rilevante e corretto per errori. I due documenti non si contraddicono, perché definiscono diversamente il traguardo. Il DOE vuole un'utilità scientifica dimostrata. IBM vuole un sistema fault-tolerant. Non sono la stessa affermazione, e i lettori non dovrebbero farne una media.

Lontano dai titoli, anche lo stack di supporto si muove. Un post sponsorizzato su Semiengineering datato 24 settembre descrive un workflow di Keysight che adatta un modello compatto BSIM-BULK ai dati a temperatura ambiente e poi usa reti neurali ibride per apprendere il comportamento criogenico che il modello non riesce a catturare a 4 kelvin. Cita un tasso di crescita annuo composto del 41,8 per cento per il mercato quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets. È materiale di un fornitore, e sostiene un prodotto, ma indica un collo di bottiglia reale: l'elettronica di controllo e lettura accanto ai qubit ha bisogno di modelli che in forma standard ancora non esistono.

Cosa ha effettivamente stabilito il fine settimana

Tolto l'involucro, le ultime 72 ore hanno consegnato tre cose. Una rivendicazione di universalità su 54 qubit a ioni intrappolati, pubblicata su Nature e riportata il 27 settembre. Una roadmap nazionale del DOE con una milestone nel 2028 e una preferenza dichiarata per l'utilità scientifica rispetto al numero di qubit. E una simulazione fisica su piccola scala su 13 ioni che corrispondeva al calcolo classico, riportata il 26 settembre.

Nessuna di queste è un computer quantistico general-purpose funzionante. Il risultato sugli anyoni è una dimostrazione di un set di porte su hardware che esiste oggi, e il suo valore pratico dipende da se i codici non abeliani scalano meglio della macchina per gli stati magici che andrebbero a sostituire, cosa che l'articolo non risolve. La roadmap del DOE è un piano, non un risultato. I moduli criogenici di IBM sono una milestone ingegneristica su un obiettivo al 2029.

La lettura onesta è che il settore ha smesso di discutere solo di numero di qubit e ha iniziato a discutere di strade. Anyoni non abeliani, stati magici, criogenia modulare, modellazione della crioelettronica: sono scommesse concorrenti su come si costruisce una macchina, e il fine settimana ne ha messe diverse sotto gli occhi del pubblico contemporaneamente. Quale vincerà non è cosa che un singolo articolo su Nature decide.