Settimana densa per il quantum computing: anyon universali, la roadmap del DOE e materia dal nulla

Lo studio è pubblicato su Nature e porta le firme della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, di Harvard, della Stony Brook University e di Quantinuum. È l'ultimo di una serie di annunci sul quantum computing che nell'arco di quattro giorni hanno prodotto anche una roadmap del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la simulazione di particelle che nascono da una stringa di energia messa in tensione.

Gli anyon non abeliani non si trovano in natura. Si creano dentro un circuito quantistico intrecciando molti qubit ordinari, finché lo stato collettivo non si comporta come un nuovo tipo di particella, con regole proprie.

Ogni anyon porta con sé uno stato interno che cambia quando lo si sposta attorno a un altro. Il processo si chiama braiding e l'ordine degli spostamenti conta. È questa proprietà a permettere di codificare e manipolare l'informazione in modi che le particelle ordinarie non riescono a gestire. Il problema dei lavori precedenti era che il solo braiding non bastava. Nel 2024 un gruppo che comprendeva Ruben Verresen della UChicago PME aveva costruito anyon legati al gruppo di simmetria D4 su una macchina Quantinuum. Quel sistema però non poteva eseguire tutte le operazioni richieste da un computer quantistico universale.

"In quel lavoro non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti bastassero per fare calcolo quantistico", ha detto Verresen nel resoconto di ScienceDaily. "Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente".

Per il nuovo esperimento i ricercatori sono passati a una simmetria diversa, S3, che descrive le rotazioni e i ribaltamenti speculari che lasciano invariato un triangolo equilatero. Hanno creato gli anyon corrispondenti sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum, usando 54 qubit intrecciati. Il sistema S3 aveva le proprietà che mancavano alla versione D4, e il gruppo ha combinato braiding e fusione per arrivare a un insieme completo di porte universali.

"Abbiamo dimostrato un cosiddetto insieme di porte universali, cioè che se si immagazzina informazione in queste versioni emergenti dei quark e le si sposta, si può fare qualsiasi calcolo quantistico si voglia fare", ha detto Verresen.

Il motivo per cui questo conta al di là della fisica è il costo. I computer quantistici sono soggetti a errori, quindi l'informazione viene distribuita su molti qubit fisici per proteggerla. Questi schemi di correzione degli errori conservano i dati ma di solito non forniscono tutte le operazioni necessarie al calcolo universale. Gli ingegneri colmano la lacuna con "magic states" preparati appositamente, che richiedono un intenso processo di distillazione capace di consumare gran parte dei qubit disponibili di una macchina.

"I codici non abeliani sono un cavallo oscuro nella corsa alla correzione degli errori quantistici", ha detto Henrik Dreyer, managing director e responsabile scientifico della sede di Monaco di Quantinuum e coautore dello studio. "In questo lavoro mostriamo il primo insieme di porte universali in un codice non abeliano, il che dimostra che in linea di principio si possono fare calcoli fault-tolerant senza ricorrere alla distillazione o alla coltivazione di magic states, che sono le operazioni più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici".

Da questa affermazione a una macchina funzionante ce ne corre, e l'articolo è una prova di principio, non un prodotto. Arriva però in una settimana in cui il settore nel suo complesso si è fatto sentire in modo insolito.

Una roadmap, una simulazione e un frigorifero

Il 27 settembre Fermilab ha pubblicato lo SCAC Quantum Committee Report del Dipartimento dell'Energia, "Path to an Integrated Quantum Future". Il documento delinea un piano in tre fasi per arrivare a dimostrare entro il 2028 un computer quantistico scientificamente rilevante e corretto rispetto agli errori. La prima fase va dal 2026 al 2028 e consiste in "Quantum Grand Challenges" competitive che mettono insieme laboratori nazionali, università e industria. La seconda fase istituirebbe una DOE Quantum Computing User Facility, descritta nel rapporto come uno strumento scientifico aperto e non come un servizio cloud commerciale. La terza fase, dal 2030 in poi, prevede co-processori quantistici, simulatori e sensori integrati nelle reti di intelligenza artificiale e di calcolo ad alte prestazioni del DOE.

Il rapporto è stato guidato da un sottocomitato presieduto da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con Supratik Guha della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago come vicepresidente. Fermilab afferma che il processo ha raccolto contributi da centinaia di persone tra laboratori nazionali, mondo accademico, industria e agenzie federali. Il documento insiste inoltre su una posizione tecnologicamente neutrale e si rifiuta di scegliere un tipo di qubit vincente.

Due giorni prima, il 26 settembre, ScienceDaily aveva dato notizia di un esperimento guidato dalla Duke University e pubblicato il 23 settembre su Nature Physics. I ricercatori hanno codificato un modello di rottura di stringa in una catena di 13 ioni intrappolati, usando raggi laser per regolare l'interazione tra gli ioni. Poi hanno osservato l'evoluzione di un sistema fuori equilibrio.

Il processo simulato è quello in cui due blocchi di materia connessi vengono allontanati finché non si accumula abbastanza energia perché compaiano nuove coppie di particelle quando il legame si spezza. È il meccanismo che si ritiene abbia operato nelle condizioni estreme subito dopo il Big Bang.

"Le simulazioni su computer quantistici offrono la piattaforma migliore per indagare questioni complesse come la formazione della materia, se non si è assistito al Big Bang in persona", ha detto Christopher Monroe, che ha guidato la ricerca alla Duke. Il gruppo ha confrontato il risultato quantistico con un calcolo classico, e i due coincidevano. I ricercatori osservano che le macchine classiche riescono ancora a gestire simulazioni di questa scala, e si aspettano che l'hardware quantistico diventi necessario solo quando i problemi cresceranno.

IBM, intanto, lavora all'impiantistica. Il suo annuncio del 19 agosto, ancora la novità aziendale più recente di questo dossier, diceva di aver unito e raffreddato due moduli criogenici in un unico ambiente, un passo verso il collegamento di centinaia di chip quantistici. I moduli sono alti e larghi più di 8 piedi e sono stati portati a 4 Kelvin in meno di cinque giorni, prima di scendere sotto i 15 millikelvin. IBM afferma che l'involucro sottovuoto di ogni modulo offre fino a 12 volte più spazio per il cablaggio rispetto ai suoi sistemi quantistici più diffusi. La roadmap dell'azienda punta ad almeno 1.000 qubit programmabili entro il 2027 e a una macchina fault-tolerant, IBM Quantum Starling, nel 2029.

Un blog di settore, SemiEngineering, ha indicato per il mercato dell'elettronica di supporto un tasso di crescita annuo composto del 41,8 per cento dal 2025 al 2030, citando MarketsandMarkets, e ha sostenuto che modelli accurati dei dispositivi a temperature criogeniche stanno diventando un collo di bottiglia per lo scaling. Si tratta di un post sponsorizzato, non di ricerca peer-reviewed, e va letto come tale.

Prendendo insieme i quattro sviluppi, il quadro è disomogeneo. Il risultato sugli anyon e la simulazione della Duke sono dimostrazioni di laboratorio con chiare cautele. La roadmap del DOE è un piano, non una macchina. I moduli criogenici di IBM sono una tappa produttiva su un calendario che in passato è già slittato per altri. Quello che la settimana mostra è che il settore ora spinge su più fronti contemporaneamente, dalla matematica delle particelle esotiche al cablaggio dentro un frigorifero.