Invece di continuare a battere i record dei qubit, le aziende stanno dando priorità all’hardware e agli obiettivi a lungo termine.
di MIT Technology Review, Michael Brooks
Entro il 2023, i progressi nell’informatica quantistica saranno definiti meno dai grandi annunci di nuovi hardware e più dai ricercatori che consolideranno anni di duro lavoro, facendo comunicare i chip tra loro e allontanandosi dall’idea di lavorare con qubit rumorosi, mentre la portata del campo diventa sempre più internazionale e agguerrita.
Per anni, il ciclo di notizie sull’informatica quantistica è stato dominato da titoli su sistemi che stabiliscono nuovi record. I ricercatori di Google e IBM hanno discusso su chi ha ottenuto i risultati e se lo sforzo è valso la pena. Tuttavia, il tempo di discutere su chi ha il processore più grande sembra essere passato: le aziende si concentrano sulla preparazione alla vita nel mondo reale. Improvvisamente, tutti hanno iniziato a comportarsi da adulti.
Come a sottolineare quanto i ricercatori vogliano prendere le distanze dall’eccitazione del mercato, IBM dovrebbe annunciare quest’anno un processore in controtendenza rispetto alla tendenza a mettere in gioco sempre più bit quantistici, o “qubit”. I Qubit, le unità di elaborazione dei computer quantistici, possono essere costruiti con diverse tecnologie, tra cui circuiti superconduttori, ioni intrappolati e fotoni, le particelle quantistiche della luce.
IBM studia da tempo i qubit superconduttori e nel corso degli anni ha compiuto progressi costanti nell’aumentare la quantità di quit che possono essere ospitati in un chip. Ad esempio, nel 2021 IBM ha presentato un chip con 127, un nuovo record. Nel novembre 2022 ha presentato il processore Osprey con 433 qubit e nel 2023 prevede di rilasciare un processore con 1.121 qubit chiamato Condor.
Tuttavia, quest’anno IBM dovrebbe lanciare anche il suo processore Heron, che avrà solo 133 qubit. Può sembrare un passo indietro, ma come l’azienda tiene a sottolineare, i qubit di Heron saranno di altissima qualità. Soprattutto, ogni chip sarà in grado di connettersi direttamente ad altri processori Heron, segnando una transizione dall’informatica quantistica a singolo chip a computer quantistici “modulari” costruiti da più processori collegati tra loro – una mossa che dovrebbe favorire notevolmente l’espansione dei computer quantistici.
Heron è un segno di grandi cambiamenti nel settore dell’informatica quantistica. Alcuni esperti suggeriscono che, grazie ad alcuni recenti progressi, piani aggressivi e alti livelli di finanziamento, potremmo avere computer quantistici generici prima di quanto molti avrebbero previsto solo pochi anni fa. “Nel complesso, i progressi sono rapidi”, afferma Michele Mosca, vicedirettore dell’Institute for Quantum Computing dell’Università di Waterloo in Canada.
Queste sono alcune delle aree in cui gli esperti si aspettano di vedere dei progressi.
Concatenamento di computer quantistici
Il progetto Heron di IBM è solo un primo passo nel mondo dell’informatica quantistica modulare. I chip saranno collegati con l’elettronica convenzionale, quindi le informazioni non manterranno le loro “proprietà quantistiche” nel passaggio da un processore all’altro. Tuttavia, la speranza è che tali chip, in futuro collegati da fibre ottiche o microonde compatibili con i processori quantistici, consentano di creare computer quantistici con sistemi distribuiti su larga scala, fino a un milione di qubit collegati. Forse questa è la quantità necessaria per eseguire algoritmi quantistici utili e a correzione di errore. “Abbiamo bisogno di tecnologie scalabili sia in termini di dimensioni che di costi, quindi la modularità è fondamentale”, afferma Jerry Chow, direttore dell’IBM Quantum Hardware System Development.
Altre aziende stanno avviando esperimenti simili. “Collegare improvvisamente le cose è una questione fondamentale”, sostiene Peter Shadbolt, responsabile scientifico di PsiQuantum, che utilizza i fotoni come qubit. PsiQuantum sta apportando gli ultimi ritocchi a un chip modulare basato sul silicio. Shadbolt afferma che l’ultimo pezzo necessario – uno switch ottico estremamente veloce e a bassa perdita – sarà collaudato entro la fine del 2023. “Allora avremo un chip completo”, dice. Dopodiché, potrà iniziare la costruzione su scala industriale: “prenderemo tutti i chip di silicio che stiamo producendo e li combineremo in un sistema su larga scala, simile a un computer, ad alte prestazioni”.
Secondo Jack Hidary, CEO di SandboxAQ, un’azienda di tecnologia quantistica che si è separata da Alphabet l’anno scorso, il desiderio di trasportare qubit tra i processori significa che una tecnologia quantistica un po’ dimenticata sta per tornare in auge. Egli ritiene che le comunicazioni quantistiche, in cui i qubit coerenti vengono trasferiti su distanze fino a centinaia di chilometri, saranno una parte essenziale della storia dell’informatica quantistica entro il 2023.
“L’unico modo per scalare l’informatica quantistica è creare moduli di qualche migliaio di qubit e iniziare a collegarli tra loro per ottenere un collegamento coerente”, ha dichiarato Hidary alla rivista americana MIT Technology Review. “Questo può accadere nella stessa stanza, ma anche in un campus o in città diverse. Conosciamo la potenza del calcolo distribuito in ambito tradizionale, ma per la quantistica dobbiamo disporre di collegamenti coerenti: una rete in fibra ottica con ripetitori quantistici, oppure una fibra che va a una stazione di terra e una rete satellitare”.
Il funzionamento di molti di questi componenti di comunicazione è stato dimostrato negli ultimi anni. Ad esempio, nel 2017 il satellite cinese Micius ha dimostrato che le comunicazioni quantistiche coerenti tra nodi possono essere effettuate a 1.200 chilometri di distanza l’uno dall’altro. Nel marzo 2022, un gruppo internazionale di ricercatori accademici e industriali ha dimostrato l’effettivo funzionamento di un ripetitore quantistico in grado di trasmettere informazioni quantistiche attraverso oltre 600 chilometri di fibra ottica.
Gestione del rumore
Mentre l’industria collega i qubit, si sta anche allontanando da un’idea che è diventata di moda negli ultimi cinque anni: che i chip con poche centinaia di qubit possano essere in grado di effettuare calcoli utili, anche se il rumore ostacola facilmente tali operazioni.
Questa idea, chiamata “calcolo quantistico su scala rumorosa intermedia” (NISQ), sarebbe stata un modo per vedere alcuni benefici a breve termine dall’informatica quantistica, forse anni prima di raggiungere l’ideale di computer quantistici su larga scala con molte centinaia di migliaia di qubit dedicati alla correzione degli errori. Ma l’ottimismo nei confronti di NISQ sembra svanire. “La speranza era che questi computer potessero essere utilizzati ben prima di effettuare qualsiasi correzione degli errori, ma sta morendo”, sostiene Joe Fitzsimons, CEO di Horizon Quantum Computing, con sede a Singapore. Alcune aziende si stanno concentrando sulla forma classica di correzione degli errori, utilizzando alcuni qubit per correggere gli errori di altri. L’anno scorso, Google Quantum AI e Quantinuum, una nuova società costituita da Honeywell e Cambridge Quantum Computing, hanno pubblicato studi che dimostrano che i qubit possono essere organizzati in array a correzione di errore che superano le prestazioni dei qubit fisici sottostanti.
Altri team stanno cercando di trovare un modo per rendere i computer quantistici “tolleranti ai guasti” senza costi eccessivi. Ad esempio, IBM ha esplorato la possibilità di riprodurre il rumore che induce l’errore nelle sue macchine e poi di sottrarlo attraverso la programmazione (simile alla cancellazione del rumore nelle cuffie). Si tratta di un sistema tutt’altro che perfetto, poiché l’algoritmo lavora sulla base di una previsione del rumore, ossia immaginando il rumore che potrebbe verificarsi piuttosto che quello che effettivamente si verifica. Tuttavia, Chow ritiene che il risultato sia accettabile: “possiamo costruire codice a correzione d’errore a un costo di risorse molto più basso che rende la correzione d’errore accessibile nel breve termine”.
Anche IonQ, un’azienda del Maryland (USA) che sta costruendo computer quantistici a trappola ionica, sta facendo qualcosa di simile. “La maggior parte dei nostri errori sono autoimposti quando manipoliamo ioni ed eseguiamo programmi”, afferma Chris Monroe, Chief Scientist di IonQ. “Questo rumore è noto e diversi tipi di mitigazione ci hanno permesso di migliorare notevolmente i nostri risultati”.
Prendere sul serio il software
Nonostante i progressi dell’hardware, molti ricercatori ritengono che sia necessario prestare maggiore attenzione alla programmazione. “Se lo paragoniamo a quello che dovremo avere tra 10 anni, i nostri strumenti sono certamente limitati”, afferma Michal Stechly di Zapata Computing, un’azienda di software quantistico con sede a Boston, USA.
Il modo in cui il codice viene eseguito su un computer quantistico abilitato al cloud è solitamente “basato su circuiti”, il che significa che i dati passano attraverso una serie specifica e predefinita di operazioni quantistiche prima che venga effettuata una misurazione quantistica finale, generando il risultato. Secondo Fitzsimons, questo è un problema per i progettisti di algoritmi. Le routine di programmazione convenzionali tendono a ripetere alcuni passaggi fino a ottenere il risultato desiderato, per poi passare a un’altra subroutine. Nell’informatica quantistica basata sui circuiti, l’ottenimento di un risultato di solito conclude il processo: non c’è più modo di aggirarlo.
Horizon Quantum Computing è una delle aziende che ha costruito strumenti di programmazione per consentire queste routine di calcolo flessibili. “Ci porta in un regime diverso in termini di tipi di cose che possiamo fare” e inizieremo a implementare l’accesso anticipato l’anno prossimo”, dice Fitzsimons.
Anche Algorithmiq, un’azienda di Helsinki (Finlandia), sta innovando in fatto di programmazione. Il suo CEO, Sabrina Maniscalco, afferma che “abbiamo bisogno di strutture non standard per programmare i dispositivi quantistici di oggi”. Aurora, la piattaforma per la scoperta di farmaci lanciata di recente da Algorithmiq, combina i risultati del calcolo quantistico con gli algoritmi classici. Questo tipo di calcolo quantistico “ibrido” è un settore in crescita e spesso è considerato il modo in cui il campo lavorerà a lungo termine. L’azienda afferma che spera di ottenere un vantaggio quantistico utile entro il 2023, ossia la dimostrazione che un sistema quantistico può superare un computer classico in calcoli realmente rilevanti.
La concorrenza nel mondo
Sembrano in arrivo anche dei cambiamenti politici. I rappresentanti del governo statunitense, tra cui Alan Estevez, sottosegretario al commercio per l’industria e la sicurezza, hanno lasciato intendere che sono in arrivo restrizioni commerciali sulle tecnologie quantistiche.
Tony Uttley, COO di Quantinuum, afferma di essere in dialogo attivo con il governo statunitense per garantire che ciò non influisca negativamente su un settore ancora giovane. “Circa l’80% dei nostri sistemi è costituito da componenti o sottosistemi che ordiniamo all’esterno degli Stati Uniti”, spiega. “Cercare di controllarli non serve a nulla e non vogliamo metterci in una posizione di svantaggio competendo con altre aziende in altri paesi del mondo”.
E c’è molta concorrenza. L’anno scorso, la società di ricerca cinese Baidu ha concesso l’accesso a un processore con 10 qubit superconduttori, nella speranza di aiutare i ricercatori a utilizzare l’informatica quantistica in settori quali la progettazione di materiali e lo sviluppo farmaceutico. L’azienda sostiene di aver recentemente completato la progettazione di un chip quantistico superconduttore con 36 qubit. “Baidu continuerà a fare progressi nell’integrazione di software e hardware quantistici e a facilitare l’industrializzazione dell’informatica quantistica”, ha dichiarato un portavoce dell’azienda alla MIT Technology Review statunitense. Anche il gigante della tecnologia Alibaba ha ricercatori che lavorano al calcolo quantistico con qubit superconduttori.
In Giappone, Fujitsu sta collaborando con l’istituto di ricerca Riken per offrire alle aziende l’accesso al primo computer quantistico del Paese nell’anno fiscale che inizia ad aprile 2023. Sarà dotato di 64 qubit superconduttori. “L’attenzione iniziale sarà rivolta agli usi per lo sviluppo dei materiali, la scoperta di farmaci e la finanza”, afferma Shintaro Sato, responsabile del laboratorio quantistico di Fujitsu Research.
Tuttavia, non tutti percorrono la famosa strada dei superconduttori. Entro il 2020, il governo indiano ha promesso di spendere 80 miliardi di rupie (1,12 miliardi di dollari al momento dell’annuncio) per le tecnologie quantistiche. Una buona parte sarà destinata alle tecnologie fotoniche, cioè alle comunicazioni quantistiche via satellite e all’innovativo calcolo fotonico dei “qudits”.
I qubit ampliano la portata della codifica dei dati offrendo tre, quattro o più dimensioni, rispetto ai tradizionali 0 e 1 binari, senza necessariamente generare più errori. Urbasi Sinha, che dirige il laboratorio di informazione e calcolo quantistico presso il Raman Research Institute di Bangalore, in India, afferma che “questo è il tipo di lavoro che ci permetterà di ritagliarci una nicchia, piuttosto che competere con ciò che sta già accadendo da diversi decenni altrove”.
Sebbene le cose stiano diventando serie e competitive a livello internazionale, il campo della tecnologia quantistica rimane ampiamente collaborativo. Almeno per ora. “L’aspetto positivo di questo settore è che la concorrenza è feroce, ma tutti riconosciamo che è necessaria”, afferma Monroe. “Non abbiamo una mentalità da gioco a somma zero: ci sono diverse tecnologie là fuori, a diversi livelli di maturità, e al momento stiamo giocando tutti insieme. Alla fine ci sarà una sorta di consolidamento, ma non ancora”.
Michael Brooks è un giornalista scientifico freelance che vive nel Regno Unito.
