La nuova macchina sviluppata da Quantinuum combina 98 qubit, elevata precisione e un’architettura capace di spostare fisicamente l’informazione quantistica. I test mostrano prestazioni difficilmente raggiungibili dai supercomputer tradizionali, ma la strada verso un computer quantistico davvero universale resta lunga.
La corsa mondiale al computer quantistico pratico ha appena compiuto un importante passo in avanti. Si chiama Helios ed è un processore quantistico sviluppato da Quantinuum che utilizza 98 qubit basati su ioni intrappolati, il numero più elevato finora raggiunto da una macchina di questo tipo. Il sistema e i suoi risultati sono stati descritti sulla rivista Nature.
A differenza dei computer tradizionali, che elaborano l’informazione utilizzando bit che possono assumere il valore 0 oppure 1, i computer quantistici sfruttano le proprietà della meccanica quantistica. I loro qubit possono trovarsi in combinazioni di stati differenti e possono essere correlati attraverso il fenomeno dell’entanglement. In linea di principio, queste caratteristiche permettono di affrontare alcuni problemi con modalità impossibili, o estremamente inefficienti, per i computer convenzionali.
Helios appartiene alla famiglia dei computer quantistici a ioni intrappolati. I suoi qubit sono costituiti da atomi ionizzati di bario-137, mantenuti sospesi mediante campi elettromagnetici e manipolati attraverso impulsi laser. Il sistema offre inoltre una connettività detta all-to-all: in pratica, qualsiasi qubit può interagire con qualsiasi altro, caratteristica particolarmente preziosa quando si devono eseguire algoritmi complessi.
Una sorta di “città” per i qubit
Uno degli aspetti più interessanti di Helios riguarda la sua architettura, chiamata QCCD, Quantum Charge-Coupled Device. Il principio ricorda, almeno concettualmente, l’organizzazione di un computer classico, dove memoria ed elaborazione sono affidate a componenti differenti.
Nel processore quantistico gli ioni possono essere fisicamente spostati tra zone dedicate alla conservazione dell’informazione e aree nelle quali vengono eseguite le operazioni quantistiche. Al centro del sistema si trova una particolare giunzione a forma di X, che permette di instradare gli ioni lungo percorsi differenti e di svolgere alcune operazioni in parallelo.
L’immagine più intuitiva è quella di una rete stradale microscopica: i qubit vengono trasferiti nel punto in cui devono essere elaborati e successivamente riportati nelle zone di memoria. Un nuovo sistema software decide in tempo reale come organizzare questi spostamenti, cercando di ridurre i tempi e utilizzare nel modo più efficiente possibile le diverse aree del processore.
La soluzione permette anche di limitare il cosiddetto crosstalk, cioè le interferenze indesiderate tra qubit vicini, e facilita operazioni fondamentali come la misurazione e il ripristino di singoli qubit durante l’esecuzione di un algoritmo. Sono capacità particolarmente importanti in vista dello sviluppo dei futuri sistemi di correzione degli errori quantistici.
Oltre la simulazione classica
I ricercatori hanno sottoposto Helios a diversi benchmark. Nei test basati sul cosiddetto random circuit sampling, il processore ha eseguito circuiti la cui simulazione con gli attuali metodi classici diventerebbe estremamente costosa in termini di tempo di calcolo ed energia. Gli autori dello studio affermano che, per i circuiti analizzati, Helios si colloca ben oltre la portata pratica della simulazione classica.
È un risultato significativo perché uno dei grandi obiettivi della ricerca è proprio dimostrare che un computer quantistico possa svolgere determinati calcoli in maniera irraggiungibile per un computer convenzionale.
Ma è necessario fare una distinzione fondamentale: superare un supercomputer in un benchmark non significa ancora disporre di un computer quantistico utile nella vita reale.
I test effettuati su Helios riguardano infatti soprattutto circuiti progettati per misurare la potenza e l’affidabilità della macchina. Non equivalgono ancora alla soluzione di un problema industriale, medico o scientifico per il quale il quantum computing garantisca un vantaggio decisivo rispetto alle migliori tecnologie tradizionali. Lo stesso articolo pubblicato da Phys.org sottolinea come la distanza tra questi risultati e un computer quantistico universale e tollerante agli errori rimanga enorme.
Il vero ostacolo: arrivare alla tolleranza agli errori
I qubit sono estremamente delicati. Interazioni con l’ambiente, imperfezioni dei laser, campi elettromagnetici o semplicemente l’accumularsi delle operazioni possono introdurre errori nei calcoli.
Per realizzare macchine realmente rivoluzionarie sarà quindi necessario costruire computer quantistici fault-tolerant, capaci di individuare e correggere continuamente questi errori senza perdere l’informazione quantistica.
Ed è qui che emerge la vera dimensione della sfida. Helios possiede 98 qubit fisici; le architetture quantistiche future potrebbero richiederne centinaia di migliaia o persino milioni per ottenere un numero sufficientemente elevato di qubit logici affidabili, a seconda delle tecnologie e dei codici di correzione utilizzati. Collegare e controllare sistemi di queste dimensioni rappresenta un problema ingegneristico ancora lontano dall’essere risolto.
Nel caso dei sistemi QCCD esiste inoltre una difficoltà particolare: spostare fisicamente gli ioni richiede tempo e precisione. Aumentando il numero di qubit e di giunzioni potrebbe quindi presentarsi una sorta di problema di traffico quantistico, nel quale migliaia di ioni devono essere instradati contemporaneamente senza rallentare l’intera macchina.
Helios non è dunque il computer quantistico definitivo. Ma dimostra qualcosa forse altrettanto importante: che è possibile aumentare notevolmente il numero di qubit di un sistema a ioni intrappolati mantenendo un’elevata qualità delle operazioni e introducendo un’architettura più sofisticata per gestirli. Lo studio pubblicato su Nature indica proprio nella combinazione tra hardware quantistico e software classico intelligente una delle possibili strade per far crescere queste macchine.
La corsa verso il computer quantistico utile, insomma, è ancora lontana dal traguardo. Ma con Helios la tecnologia ha dimostrato di poter attraversare uno dei passaggi più difficili: trasformare un esperimento con pochi qubit in una macchina sempre più complessa, controllabile e potenzialmente scalabile. E nella rivoluzione quantistica, dove ogni aumento di dimensione moltiplica anche i problemi da risolvere, non è affatto un risultato secondario.
Stefano Camilloni
