Due traguardi quantistici in tre giorni: porte universali e roadmap DOE

Due sviluppi sono arrivati a circa 25 ore di distanza l'uno dall'altro. Il 27 settembre, ScienceDaily ha riportato che un team della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, di Harvard, della Stony Brook University e di Quantinuum ha dimostrato un set di porte universali utilizzando anyoni non abeliani sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum. Lo stesso giorno, Fermilab ha pubblicato la roadmap nazionale per il calcolo quantistico del Dipartimento dell'Energia, guidata da un sottocomitato dell'Office of Science Advisory Committee.

Entrambi sono affermazioni sulla direzione piuttosto che su macchine finite. Il primo riguarda un percorso verso la correzione degli errori. Il secondo riguarda come il governo degli Stati Uniti intende misurare i progressi su quel percorso.

Cosa è stato effettivamente dimostrato

Il risultato sottoposto a revisione paritaria, pubblicato su Nature secondo ScienceDaily, ha utilizzato 54 qubit entangled per creare anyoni legati a un gruppo di simmetria chiamato S3, le rotazioni e le riflessioni che lasciano invariato un triangolo equilatero. Combinando due operazioni, braiding e fusione, il team ha ottenuto ciò che Ruben Verresen, professore associato alla UChicago PME e coautore dello studio, ha descritto come un set di porte universali.

Abbiamo dimostrato un cosiddetto set di porte universali, il che significa che se si memorizza informazione in queste versioni emerse di quark e si spostano, è possibile eseguire qualsiasi calcolo quantistico si desideri.

La formulazione conta. Gli anyoni non abeliani non si trovano in natura come particelle autonome. Vengono creati all'interno di un circuito quantistico entanglando molti qubit ordinari in uno stato collettivo che si comporta come una nuova particella con le sue regole. Nel 2024, un team che includeva Verresen ha utilizzato una macchina a ioni intrappolati di Quantinuum per creare anyoni associati a un diverso gruppo di simmetria, D4. Il solo braiding di quegli anyoni non era sufficiente per il calcolo universale. Il nuovo lavoro passa a S3 e aggiunge la fusione.

Qui si trova l'argomento pratico. I computer quantistici sono soggetti a errori, quindi l'informazione viene solitamente distribuita su molti qubit fisici. Questi codici di correzione degli errori proteggono i dati, ma in genere non forniscono tutte le operazioni necessarie per il calcolo universale sull'informazione protetta. Gli ingegneri colmano il divario con stati magici, che richiedono un costoso passo di purificazione chiamato distillazione. Henrik Dreyer, direttore generale e responsabile scientifico dell'ufficio di Monaco di Quantinuum, ha dichiarato nell'account di ScienceDaily che il risultato mostra che il calcolo tollerante ai guasti può in principio essere eseguito senza distillazione o coltivazione di stati magici.

Il titolo di ScienceDaily definisce gli anyoni non abeliani un outsider. Dreyer ha usato la stessa espressione. Consideralo un'affermazione di posizionamento da parte di persone interessate all'approccio, non come una visione di consenso del settore.

La roadmap e i suoi traguardi

La relazione del DOE, "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future", fissa un obiettivo basato su traguardi: dimostrare un computer quantistico con correzione degli errori scientificamente rilevante entro il 2028. Fermilab afferma che il sottocomitato era presieduto da Anna Grassellino, chief technology officer di Fermilab, con Supratik Guha della UChicago PME come vicepresidente. Il processo di coinvolgimento si è basato su laboratori nazionali, accademia, industria e agenzie federali, con contributi di centinaia di partecipanti.

Il documento propone tre fasi. La Fase I va dal 2026 al 2028 e stabilisce Grand Challenges competitive che abbinano laboratori nazionali, università e industria attorno a obiettivi scientifici specifici. La Fase II pianificherebbe e costruirebbe una DOE Quantum Computing User Facility, descritta nella relazione come uno strumento scientifico aperto piuttosto che un servizio cloud commerciale. La Fase III, a partire dal 2030, prevede co-processori quantistici, simulatori e sensori integrati nell'infrastruttura esistente di intelligenza artificiale e calcolo ad alte prestazioni del DOE.

La misura di successo dichiarata è l'utilità scientifica, non il numero di qubit. La relazione elenca la predizione delle proprietà molecolari per la scoperta di farmaci, la progettazione di catalizzatori, la simulazione di materiali rilevanti per la fusione e la modellazione della fisica dell'universo primordiale come problemi target. Si impegna anche a mantenere una posizione tecnologicamente neutrale sull'hardware, un dettaglio degno di nota date le approcci concorrenti ora finanziati.

L'hardware sottostante

Nessuno di questi elementi avrebbe molto senso senza la refrigerazione e l'elettronica di controllo attorno ai qubit. IBM ha dichiarato il 19 agosto di aver unito e raffreddato due moduli criogenici in un singolo ambiente, un passo verso il collegamento di centinaia di chip quantistici. L'azienda afferma che i moduli raggiungono temperature inferiori a 15 millikelvin e sono progettati per la sua tecnologia L-coupler, che collega processori quantistici separati. La roadmap di IBM mira ad almeno 1.000 qubit programmabili entro il 2027 e a un sistema tollerante ai guasti, IBM Quantum Starling, nel 2029.

Jay Gambetta, direttore di IBM Research, ha definito il collegamento e il funzionamento dei moduli un passo avanti in quella direzione. Si tratta di una dichiarazione aziendale sulla sua roadmap, e l'obiettivo per il 2029 rimane non provato.

C'è anche il problema meno visibile della modellazione dell'elettronica che si trova accanto ai qubit. Un blog sponsorizzato pubblicato da Semiconductor Engineering il 24 settembre descrive un flusso di lavoro per l'estrazione di modelli compatti dei dispositivi a temperatura ambiente e quindi l'uso di reti neurali ibride per imparare il comportamento criogenico residuo sotto i 4 Kelvin. Cita un tasso di crescita annuo composto del 41,8% per il mercato del calcolo quantistico dal 2025 al 2030, attribuito a MarketsandMarkets. Materiale sponsorizzato dal vendor, e la cifra di mercato proviene da una singola società di ricerca, quindi trattalo con la solita cautela.

Cosa osservare

• Se il risultato S3 è riprodotto su altri hardware e quanti qubit fisici consuma effettivamente l'intera operazione.
• Chi vincerà le Grand Challenges della Fase I e se l'obiettivo per il 2028 sopravvivrà al contatto con i bilanci.
• Le installazioni del processore Nighthawk di IBM nei moduli criogenici, previste per la fine di quest'anno.
• Se la formulazione tecnologicamente neutrale del DOE reggerà una volta iniziati gli acquisti.

Le tre tracce non si incontrano ancora. Un set di porte universali su 54 qubit è un risultato di laboratorio. Una roadmap è un piano. I moduli criogenici sono ingegneria. Il divario tra loro è la storia, e non si sta chiudendo secondo una scadenza pubblicata da chiunque.