Settimana intensa per il calcolo quantistico: anyoni universali, una 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 calcolo quantistico che nell'arco di quattro giorni ha prodotto anche una roadmap del Dipartimento dell'Energia statunitense e una simulazione di particelle che emergono da una stringa di energia messa in tensione.

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

Ogni anyone porta uno stato interno che cambia quando lo si sposta attorno a un altro, un processo chiamato braiding, e l'ordine di questi spostamenti conta. È questa proprietà a permettere di codificare e manipolare l'informazione in modi preclusi alle particelle ordinarie. Il limite del lavoro precedente era che il solo braiding non bastava. Nel 2024 un gruppo che comprendeva Ruben Verresen della UChicago PME aveva costruito anyoni legati al gruppo di simmetria D4 su una macchina Quantinuum, ma quel sistema non riusciva a eseguire tutte le operazioni necessarie a un computer quantistico universale.

"In quel lavoro non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti fossero sufficienti a 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 riflessi speculari che lasciano invariato un triangolo equilatero. Hanno creato gli anyoni 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 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 Verresen.

Ciò che conta al di là della fisica è il costo. I computer quantistici sono soggetti a errori, perciò l'informazione viene distribuita su molti qubit fisici per proteggerla. Questi schemi di correzione degli errori preservano i dati ma di solito non forniscono tutte le operazioni necessarie al calcolo universale. Gli ingegneri colmano la lacuna con "stati magici" preparati appositamente, che richiedono un processo di distillazione intensivo capace di assorbire una quota consistente dei qubit disponibili di una macchina.

"I codici non abeliani sono la mina vagante nella corsa alla correzione degli errori quantistici", ha detto Henrik Dreyer, direttore generale e responsabile scientifico della sede di Monaco di Quantinuum nonché coautore dello studio. "In questo lavoro mostriamo il primo insieme universale di porte in un codice non abeliano, il che dimostra che in linea di principio si possono fare calcoli a tolleranza di guasto senza ricorrere alla distillazione o alla coltivazione degli stati magici, che sono le operazioni più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici."

Da qui a una macchina funzionante la strada è lunga, e l'articolo è una prova di principio, non un prodotto. Ciononostante arriva 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 il SCAC Quantum Committee Report del Dipartimento dell'Energia, "Path to an Integrated Quantum Future". Il documento delinea un piano in tre fasi per dimostrare entro il 2028 un computer quantistico con correzione degli errori scientificamente rilevante. 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 coprocessori 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 di centinaia di persone tra laboratori nazionali, università, industria e agenzie federali. Il testo insiste anche su una posizione tecnologicamente neutrale, rifiutandosi di scegliere un tipo di qubit vincente.

Due giorni prima, il 26 settembre, ScienceDaily ha dato notizia di un esperimento guidato dalla Duke University pubblicato il 23 settembre su Nature Physics. I ricercatori hanno codificato un modello di rottura delle stringhe in una catena di 13 ioni intrappolati, usando fasci 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 separati finché si accumula energia sufficiente perché, quando il legame si spezza, compaiano nuove coppie di particelle. È il meccanismo che si ritiene abbia agito nelle condizioni estreme subito dopo il Big Bang.

"Le simulazioni su computer quantistico 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 con il crescere dei problemi.

IBM, intanto, lavora all'impiantistica. L'annuncio del 19 agosto, ancora la più recente comunicazione aziendale in questo dossier, diceva che l'azienda ha 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 ciascun modulo offre fino a 12 volte più spazio per i cablaggi 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 a tolleranza di guasto, 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. Ha anche 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 sottoposta a revisione paritaria, e va letto come tale.

Messi insieme, i quattro sviluppi danno un quadro disomogeneo. Il risultato sugli anyoni e la simulazione della Duke sono dimostrazioni di laboratorio con avvertenze ben chiare. 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 ha slittato per altri. Quello che la settimana mostra è che il settore ora spinge su più fronti contemporaneamente, dalla matematica delle particelle esotiche ai cablaggi dentro un frigorifero.