Universalità, la roadmap del DOE e i frigoriferi di IBM: la settimana delle consegne nel quantum computing

Il risultato è arrivato lo stesso fine settimana in cui il Dipartimento dell'Energia statunitense ha pubblicato una roadmap nazionale che sposta il settore dal conteggio dei qubit alla dimostrazione dell'utilità scientifica. Nel dossier entrambi i documenti portano la data del 27 settembre e affrontano lo stesso problema: che cosa deve saper fare un computer quantistico prima che qualcuno lo definisca utile.

Secondo il resoconto di ScienceDaily sul lavoro dell'Università di Chicago, il gruppo ha creato anyoni non abeliani legati al gruppo di simmetria S3, le rotazioni e i riflessi che lasciano invariato un triangolo equilatero, e ha entangled 54 qubit sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum. Il solo braiding non bastava. I ricercatori hanno unito braiding e fusione per ottenere l'intero insieme di operazioni. L'articolo è uscito su Nature. Si tratta di una tappa tecnica, non dell'annuncio di un prodotto, e la distinzione conta per capire come va letto il risultato.

"Abbiamo dimostrato un cosiddetto insieme universale di porte, nel senso che se si immagazzina informazione in queste versioni emergenti dei quark e le si sposta, si può eseguire qualsiasi calcolo quantistico si voglia", ha detto Ruben Verresen, professore assistente di ingegneria molecolare alla UChicago PME e coautore.

È un'affermazione forte, e i ricercatori sono cauti su ciò che copre e ciò che non copre. L'esperimento del 2024 dello stesso gruppo, con il gruppo di simmetria D4 sull'hardware Quantinuum, aveva mostrato che gli anyoni si potevano creare e spostare. Non permetteva ogni operazione. Verresen lo ha detto senza giri di parole: "Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente". Il sistema S3, su 54 qubit, lo era.

Perché il problema degli stati magici conta

La correzione degli errori è la ragione per cui esiste questa linea di ricerca. I computer quantistici perdono informazione con facilità, così gli ingegneri distribuiscono un qubit logico su molti qubit fisici. Questo protegge i dati, ma di solito non offre tutte le operazioni necessarie. Per colmare il vuoto i gruppi preparano i cosiddetti stati magici, e produrli richiede un processo di purificazione chiamato distillazione che può assorbire una quota consistente dei qubit di una macchina.

Henrik Dreyer di Quantinuum, managing director e responsabile scientifico della sede di Monaco, ha descritto i codici non abeliani come una strada alternativa nello stesso articolo di ScienceDaily. "I codici non abeliani sono la mina vagante nella corsa alla correzione degli errori quantistici", ha detto, aggiungendo che il lavoro mostra come "i calcoli fault-tolerant possano in linea di principio essere eseguiti senza ricorrere alla distillazione o alla coltivazione degli stati magici, che sono le operazioni più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici".

Una precisazione da tenere presente: la dimostrazione è un insieme di porte su 54 qubit, non una macchina fault-tolerant funzionante. ScienceDaily la descrive come la prima dimostrazione sperimentale che questo approccio può sostenere operazioni universali. Nulla nel dossier dice che con questo metodo sia stato fatto girare un qubit logico su larga scala.

Il DOE vuole utilità scientifica, non conteggi di qubit

Fermilab ha pubblicato la roadmap del DOE il 27 settembre, e l'impostazione è netta su che cosa debba valere come progresso. Il rapporto, "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future", è opera di un sottocomitato presieduto da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con il professore dell'Università di Chicago Supratik Guha come vicepresidente. Fermilab afferma che il processo ha raccolto contributi da laboratori nazionali, università, industria e agenzie federali, con centinaia di partecipanti.

La roadmap fissa una tappa: dimostrare entro il 2028 un computer quantistico con correzione degli errori scientificamente rilevante. Poi delinea tre fasi. La fase I, dal 2026 al 2028, è un insieme competitivo di Quantum Grand Challenges che mette insieme laboratori nazionali, università e industria su hardware, algoritmi e software progettati in comune. La fase II prevede una DOE Quantum Computing User Facility, che il rapporto dice esplicitamente non sarà un servizio cloud commerciale "black box" ma uno strumento aperto in cui i ricercatori sviluppano hardware e software insieme ai fornitori. La fase III, dal 2030, immagina co-processori quantistici, simulatori e sensori inseriti nelle reti esistenti del dipartimento per l'AI e il calcolo ad alte prestazioni.

Il rapporto sostiene anche una posizione tecnologicamente neutrale, il che conta visto quante scommesse sull'hardware sono in gioco oggi. Elenca le applicazioni obiettivo: prevedere proprietà molecolari per la scoperta di farmaci, progettare catalizzatori, simulare materiali rilevanti per la fusione e modellare la fisica del primo universo. Sono i problemi che il DOE vuole risolti, non i punteggi dei benchmark.

Altri due pezzi di ingegneria, uno più vecchio

La Duke University ha riferito il 26 settembre che i suoi ricercatori hanno usato un simulatore quantistico a ioni intrappolati con 13 ioni per riprodurre il string breaking, il processo in cui due blocchi di materia collegati vengono allontanati finché non si accumula energia sufficiente perché compaiano nuove coppie di particelle. Il lavoro, pubblicato il 23 settembre su Nature Physics, ha coinvolto collaboratori dell'Università del Maryland, di Oxford, Caltech, Cornell e KU Leuven.

Christopher Monroe, che ha guidato la ricerca al Duke Quantum Center, ha detto che la simulazione quantistica è la piattaforma migliore disponibile per le domande sulla formazione della materia "a parte aver assistito di persona al Big Bang". Il primo autore Arinjoy De, ora a QuEra Computing, ha detto che il gruppo ha simulato il confinamento dei quark e i fenomeni di string breaking in un ambiente di laboratorio controllato.

C'è un limite dichiarato. Con 13 ioni i computer classici possono ancora verificare la risposta, e il gruppo di Duke lo ha fatto: i suoi calcoli classici concordavano con il simulatore quantistico. La scommessa è che versioni più grandi e più complesse del problema finiranno fuori portata per le macchine classiche.

Il contributo di IBM è più vecchio, datato 19 agosto e emerso nel dossier il 21 settembre. L'azienda ha detto di aver unito e raffreddato due moduli criogenici in un unico ambiente, ciascuno alto più di 8 piedi e largo 8 piedi, raggiungendo temperature sotto i 15 millikelvin, che IBM descrive come oltre 180 volte più fredde dello spazio profondo. I moduli offrono fino a 12 volte più spazio per il cablaggio rispetto ai sistemi quantistici più diffusi di IBM, e IBM prevede di installarvi i processori Quantum Nighthawk entro la fine dell'anno. L'obiettivo è IBM Quantum Starling nel 2029, che IBM si aspetta sarà il primo computer quantistico fault-tolerant al mondo.

Jay Gambetta, direttore di IBM Research, ha definito il collegamento dei moduli "un passo avanti" verso l'arrivo delle macchine fault-tolerant nelle industrie. I dettagli della roadmap dietro Starling, compreso un codice di correzione degli errori annunciato l'anno scorso, sono dichiarazioni dell'azienda e non risultati indipendenti.

Che cosa mostra davvero la settimana

Tre testate, tre tipi di progresso. ScienceDaily ha riportato due risultati sperimentali, uno sulle operazioni universali con anyoni non abeliani e uno sulla simulazione della fisica del primo universo. Fermilab ha riportato un documento di politica che orienterà dove vanno i soldi pubblici statunitensi. La newsroom di IBM ha riportato una tappa ingegneristica sull'infrastruttura di raffreddamento che servirà a qualsiasi macchina su larga scala.

Nessuno di questi è un computer quantistico finito. Il risultato sugli anyoni deve scalare oltre i 54 qubit. La simulazione di Duke deve crescere oltre il punto in cui una macchina classica può verificarla. I moduli di IBM hanno bisogno di chip e di un'architettura fault-tolerant che non arriverà prima del 2029. L'obiettivo del DOE di una macchina scientificamente rilevante e con correzione degli errori entro il 2028 sta nel mezzo di quella cronologia e dipende da sfide che non sono ancora iniziate.

A legarli è un cambiamento in ciò che il settore considera una tappa. Insiemi universali di porte su informazione protetta, string breaking su un simulatore controllabile, spazio di cablaggio per centinaia di chip, un piano per una struttura che misura il successo dai problemi risolti. Le voci più recenti del dossier non parlano di numeri più grandi. Parlano di se i numeri possono fare qualcosa.