Anyon non abeliani e gate set universale: la roadmap del DOE fissa il 2028

Il risultato conta perché il calcolo quantistico universale è stato finora appannaggio dei qubit ordinari, che immagazzinano informazione in due stati e nelle loro sovrapposizioni quantistiche. Gli anyon non abeliani sono diversi. Non esistono come particelle autonome in natura. Gli scienziati li creano all'interno dei circuiti, intrecciando molti qubit convenzionali in uno stato collettivo che segue regole proprie.

«Abbiamo dimostrato un cosiddetto gate set universale, 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 desideri», ha dichiarato Ruben Verresen, professore associato di ingegneria molecolare alla Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e coautore dello studio. La citazione proviene dall'articolo di ScienceDaily sul paper.

Al lavoro hanno partecipato ricercatori della UChicago PME, di Harvard, della Stony Brook University e di Quantinuum. Il team è passato a un gruppo di simmetria chiamato S3, che descrive le rotazioni e le riflessioni speculari che lasciano invariato un triangolo equilatero, e ha creato gli anyon corrispondenti sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum.

Perché la fusione conta più del solo braiding

Due anni fa, un gruppo che includeva Verresen aveva utilizzato un computer a ioni intrappolati di Quantinuum per creare anyon legati a un diverso gruppo di simmetria, D4, che descrive le rotazioni e le riflessioni che lasciano invariato un quadrato. Quell'esperimento del 2024 ha mostrato che le particelle potevano essere create e manipolate. Non ha però dimostrato che il solo braiding fosse sufficiente a eseguire ogni operazione necessaria a una macchina universale.

«In quel lavoro non abbiamo dimostrato che quelle forze emergenti fossero sufficienti per il calcolo quantistico», ha detto Verresen. «Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente».

Il nuovo esperimento combina il braiding con la fusione, il processo di unione degli anyon, per coprire l'intera gamma di operazioni. È il vuoto tecnico che il paper sostiene di colmare. ScienceDaily descrive l'approccio come potenzialmente più efficiente della via standard, che si affida agli stati magici prodotti tramite distillazione, una fase di purificazione che può consumare una gran parte dei qubit di una macchina.

«I codici non abeliani sono un cavallo scuro nella corsa alla correzione degli errori quantistici», ha affermato Henrik Dreyer, managing director e responsabile scientifico dell'ufficio di Monaco di Quantinuum e coautore dello studio.

Le dichiarazioni di Dreyer, riportate anch'esse da ScienceDaily, vanno oltre: il lavoro mostra, secondo lui, che i calcoli fault-tolerant possono in linea di principio essere eseguiti senza distillazione o coltivazione di stati magici, operazioni descritte come le più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici. ScienceDaily ha pubblicato il suo resoconto il 27 settembre.

Il DOE vuole utilità scientifica entro il 2028

Lo stesso fine settimana ha portato un documento politico con una scadenza precisa. Fermilab ha annunciato il 27 settembre che il Department of Energy ha rilasciato una roadmap nazionale per il calcolo quantistico. Il testo è stato redatto da un sottocomitato dell'Office of Science Advisory Committee, presieduto da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con Supratik Guha, professore dell'Università di Chicago, come vicepresidente.

Il rapporto, intitolato «SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future», delinea tre fasi. La Fase I va dal 2026 al 2028 e fissa sfide competitive e multidisciplinari che coinvolgono laboratori nazionali, università e industria. La Fase II prevede una DOE Quantum Computing User Facility, descritta nel rapporto come uno strumento scientifico aperto e non come un servizio cloud commerciale. La Fase III, dal 2030 in poi, immagina co-processori quantistici, simulatori e sensori integrati nelle reti AI e di calcolo ad alte prestazioni del DOE.

L'obiettivo dichiarato non è il computer quantistico più grande, ma la risoluzione di problemi altrimenti intrattabili: prevedere proprietà molecolari per la scoperta di farmaci, progettare catalizzatori, simulare materiali rilevanti per la fusione e modellare la fisica dell'universo primordiale. L'annuncio di Fermilab indica che la roadmap punta a dimostrare entro il 2028 un computer quantistico con correzione degli errori scientificamente rilevante.

Hardware e modellazione avanzano in sottofondo

IBM ha riferito il 19 agosto di aver unito e raffreddato due moduli criogenici in un unico ambiente, un passo verso il collegamento di centinaia di chip quantistici. Secondo il comunicato stampa di IBM, i due moduli sono alti più di 8 piedi e larghi 8 piedi, si raffreddano a 4 Kelvin in meno di cinque giorni e raggiungono valori sotto i 15 millikelvin poco dopo. IBM afferma che il progetto offre fino a 12 volte più spazio per il cablaggio rispetto ai suoi sistemi quantistici più diffusi, e ribadisce un obiettivo di roadmap: una macchina fault-tolerant, IBM Quantum Starling, nel 2029.

«Il collegamento e il funzionamento riuscito di questi moduli criogenici segnalano un balzo in avanti in quella direzione», ha detto Jay Gambetta, direttore di IBM Research e IBM Fellow, nel comunicato. IBM ha dichiarato che installerà i processori Nighthawk nei moduli più avanti quest'anno.

Più lontano dai titoli, un post sponsorizzato su SemiEngineering datato 24 settembre descrive un collo di bottiglia diverso: l'elettronica di controllo e lettura che opera accanto ai wafer di qubit a temperature criogeniche. Il post, di Keysight, cita un tasso di crescita annuo composto del 41,8% per il mercato del calcolo quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets, e descrive un approccio ibrido che adatta un modello compatto BSIM-BULK a temperatura ambiente, poi usa reti neurali per apprendere il comportamento residuo a 4 Kelvin che il modello basato sulla fisica non riesce a catturare.

Questi sono problemi di ingegneria, non annunci. Decideranno se le promesse sopra arriveranno nei tempi previsti.

Il dossier non specifica quando il paper su Nature sia apparso online, solo che ScienceDaily lo ha trattato il 27 settembre. Non fornisce nemmeno un tasso di errore per la dimostrazione a 54 qubit, quindi la distanza pratica tra un gate set universale su H2 e una macchina utile resta non quantificata. L'obiettivo 2028 della roadmap DOE è una tappa verso l'utilità scientifica, non l'affermazione che essa esista già oggi.