Anyon universali, la roadmap del DOE e una simulazione dell'universo primordiale: la settimana del quantum

Il gruppo ha utilizzato 54 qubit entangled sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum per costruire un set di porte universale. Ruben Verresen, professore associato alla Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e coautore, ha dichiarato: "Abbiamo dimostrato un set di porte universale. Se si memorizza informazione in queste versioni emergenti dei quark e le si sposta, si può eseguire qualsiasi computazione quantistica", secondo ScienceDaily.

La correzione degli errori quantistici impone di solito un compromesso. I qubit logici protetti resistono al rumore, ma la protezione non fornisce tutte le operazioni necessarie a una macchina general-purpose. Gli ingegneri colmano il vuoto con gli stati magici, che richiedono una distillazione costosa in termini di qubit e tempo.

Gli anyon non abeliani seguono un percorso diverso. Non esistono in natura come particelle autonome. I ricercatori intrecciano molti qubit ordinari in uno stato collettivo che si comporta come una nuova particella con regole proprie. Spostare un anyon attorno a un altro, un processo chiamato braiding, modifica lo stato interno della coppia. L'ordine di questi movimenti porta informazione.

Henrik Dreyer, managing director e responsabile scientifico della sede di Monaco di Quantinuum e coautore, ha affermato: "I codici non abeliani sono il cavallo scuro nella corsa alla correzione degli errori quantistici. In questo lavoro presentiamo il primo set di porte universale in un codice non abeliano. Questo dimostra che le computazioni fault-tolerant possono essere eseguite in linea di principio senza ricorrere alla distillazione o alla coltivazione degli stati magici, le operazioni più costose nei codici standard di correzione degli errori quantistici."

Il nuovo esperimento fa seguito al lavoro del 2024 di alcuni degli stessi ricercatori, che avevano creato anyon legati al gruppo di simmetria D4 su una macchina Quantinuum. Lì il solo braiding non bastava. Verresen ha spiegato: "Quell'universo particolare che avevamo creato non era abbastanza potente." Il team è passato alla simmetria S3, le rotazioni e riflessioni che lasciano invariato un triangolo equilatero.

Washington fissa un obiettivo per il 2028

La stessa settimana, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha rilasciato una roadmap nazionale per il calcolo quantistico. Fermilab, che ha pubblicato il rapporto il 27 settembre, ha precisato che il documento nasce da uno sforzo settoriale guidato dal Quantum Subcommittee dell'Office of Science Advisory Committee. Lo presiede Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con Supratik Guha, professore all'Università di Chicago, come vice. Il rapporto traccia un percorso basato su tappe verso la dimostrazione dell'utilità scientifica del calcolo quantistico. Prevede inoltre l'integrazione dei sistemi quantistici con l'infrastruttura di ricerca dei laboratori del DOE, il calcolo ad alte prestazioni e l'intelligenza artificiale.

La roadmap definisce un quadro in tre fasi. La Fase I, dal 2026 al 2028, istituisce Grand Challenges competitivi 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 HPC e AI esistenti del dipartimento. L'obiettivo dichiarato è un computer quantistico scientificamente rilevante e corretto per gli errori entro il 2028.

Una macchina più piccola, una domanda diversa

Altrove, ricercatori della Duke University hanno riferito di aver usato un simulatore quantistico a 13 ioni per riprodurre la rottura delle stringhe, un processo legato alla formazione di particelle e antiparticelle nelle condizioni estreme dopo il Big Bang. Il lavoro è stato pubblicato il 23 settembre su Nature Physics e annunciato da ScienceDaily il 26 settembre. Christopher Monroe, che ha guidato la ricerca al Duke Quantum Center, ha dichiarato: "Le simulazioni su computer quantistico offrono la piattaforma migliore per indagare questioni complesse come la formazione della materia, in assenza di una testimonianza diretta del Big Bang."

Alla collaborazione hanno partecipato l'Università del Maryland, Oxford, Caltech, Cornell e KU Leuven. I calcoli classici concordavano con i risultati quantistici a questa scala, hanno precisato i ricercatori, anche se si aspettano che le macchine quantistiche prendano il sopravvento man mano che i problemi crescono. ScienceDaily ha notato che altri due studi pubblicati di recente hanno riprodotto una fisica simile su hardware diverso, segno che il risultato non è isolato.

Anche i produttori di hardware spingono sul fronte ingegneristico. IBM ha annunciato il 19 agosto di aver unito e raffreddato due sistemi criogenici modulari in un unico ambiente, raggiungendo temperature sotto i 15 millikelvin, come parte della sua roadmap verso una macchina fault-tolerant nel 2029. Il rapporto è stato ripubblicato dalla rete di ScienceDaily il 21 settembre. IBM afferma che ogni modulo offre fino a 12 volte più spazio per il cablaggio rispetto ai suoi sistemi quantistici più diffusi, e prevede di installare processori Nighthawk nei moduli entro la fine dell'anno.

Una cautela va fatta. Il risultato sugli anyon è una dimostrazione su 54 qubit, non un computer funzionante, e la simulazione di Duke ha girato su 13 ioni.

La roadmap del DOE stessa indica il 2028 come obiettivo per dimostrare l'utilità scientifica, non come data di consegna. I resoconti sulla roadmap di Quantum Zeitgeist del 26 settembre e di Fermilab del 27 settembre concordano nella sostanza; nessuno dei due sostiene che una macchina esista.