Come funziona un computer quantistico? Honeywell pubblica i dettagli del suo System Model H0

È passato ormai un anno dall'annuncio ufficiale che Honeywell pubblicò circa il suo ingresso nel mondo dei computer quantistici. L'azienda ha ora pubblicato un articolo su Nature in cui spiega in dettaglio come funzionano i suoi computer quantistici e sul perché offrano prestazioni superiori a molta parte della concorrenza in alcuni ambiti chiave.

Honeywell pubblica i dettagli su come funziona il suo computer quantistico

Come è ormai noto, Honeywell usa le trappole ioniche per i suoi computer quantistici: si tratta di dispositivi che intrappolano degli ioni, ovvero atomi a cui sono stati strappati degli elettroni, in un campo magnetico che li trattiene e permette quindi di manipolarli con dei laser. Le trappole ioniche possono essere pensate come dei chip in cui è presente una scanalatura all'interno della quale vengono posti degli ioni, intrappolati da campi magnetici che li mantengono fissi nella posizione desiderata.

La particolarità delle trappole ioniche di Honeywell sta nel fatto che sfruttano 192 elettrodi controllabili indipendentemente per creare creare campi elettrici variabili (che a loro volta, per la legge di Ampère-Maxwell, creano i campi magnetici necessari a intrappolare gli ioni) tramite i quali è possibile spostare fisicamente gli ioni all'interno della trappola per manipolarli a piacere. In questo modo Honeywell è riuscita a creare un sistema con il quale è possibile connettere ioni differenti spostandoli fisicamente e manipolandoli simultaneamente con lo stesso impulso luminoso.

Per essere più specifici, il sistema permette di creare delle "buche di potenziale", ovvero luoghi dove gli ioni tendono naturalmente a restare se non eccitati. Tali buche sono create dagli elettrodi e la manipolazione dei campi elettrici creati da questi ultimi permette dunque di spostare le buche di potenziale e, di conseguenza, gli atomi. Manipolando allo stesso tempo due atomi è possibile variarne lo stato quantistico e creare il cosiddetto entanglement quantistico, ovvero la proprietà che fa sì che la manipolazione di un atomo si rifletta anche sull'altro, a distanza e senza ulteriori operazioni. Ne abbiamo parlato più in dettaglio nel nostro articolo sui computer quantistici.

Lo spostamento da una parte all'altra della trappola richiede circa 300 microsecondi, o 0,3 millisecondi. Il sistema rileva autonomamente eventuali errori e li corregge: secondo Honeywell si tratta di un'eventualità relativamente rara, dato che è avvenuto solo 3 volte in una serie di 10 milioni di operazioni. Si tratta comunque di un tasso di errore decisamente superiore rispetto a quello presente sulle CPU tradizionali, dunque c'è spazio per ulteriori miglioramenti.

Un aspetto rilevante è quello del raffreddamento. Per mantenere il controllo sugli ioni, questi sono raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 °C) usando l'elio liquido. Ogni manipolazione, però, porta gli ioni a cambiare il proprio stato energetico e a necessitare ulteriore raffreddamento. L'idea di Honeywell per tenere sotto controllo la situazione è di utilizzare un secondo ione di un elemento diverso per fare da "cuscinetto energetico": lo ione principale viene manipolato e cede velocemente l'energia acquisita allo ione "cuscinetto", così che sia più facile raffreddarli nuovamente alla temperatura desiderata. Questo processo è però, relativamente parlando, piuttosto lungo: migliorarne l'efficienza porterebbe dunque a un aumento della capacità di calcolo del computer.

Possibili evoluzioni future e confronto con la concorrenza

Il sistema progettato da Honeywell può essere scalato verso l'alto in maniera lineare, ma ci sono comunque dei limiti. Lo studio pubblicato dall'azienda riguarda il System Model H0, ovvero la prima versione con 6 qubit lanciata all'inizio del 2020: il sistema è già stato migliorato nel frattempo, con il System Model H1 che altro non è che lo stesso sistema con 10 qubit. Stando a Honeywell è possibile utilizzare ancora più ioni e, dunque, avere ancora più qubit, ma non è ancora noto quanto in là ci si possa spingere con l'uso di trappole ioniche lineari: è possibile che sia necessario introdurre matrici di trappole tra le quali trasferire gli ioni.

IonQ utilizza un sistema simile, ma non sposta fisicamente gli ioni all'interno della trappola. Al momento IonQ è in vantaggio rispetto a Honeywell nella sua corsa verso la creazione di un computer quantistico general purpose in grado di risolvere problemi su una scala interessante: l'azienda aveva infatti annunciato il lancio di un computer quantistico da 32 qubit e un volume quantistico di circa 4 milioni. Come metro di confronto, il Honeywell System H1 ha 10 qubit e un volume di 512, un traguardo recentemente annunciato che appare però decisamente ridotto se paragonato al concorrente più prossimo (che, per ironia della sorte, è anche il più lontano in quanto a volume quantistico).

Resterà dunque da vedere come Honeywell migliorerà il suo approccio per meglio competere con IonQ. IBM, Google, Rigetti e gli altri produttori fanno affidamento su tecnologie completamente diverse e offrono un livello di fedeltà (ovvero di assenza di errori) molto inferiore, tale per cui IBM ha ottenuto un quantum volume di 64 con 27 qubit: un risultato che appare molto meno significativo, una volta confrontato con i numeri di Honeywell e IonQ.

La pubblicazione è accessibile a questo indirizzo.