I qubit a gatto di Alice & Bob resistono agli errori per circa un'ora: cosa vuol dire e perché è importante

Come funziona un computer quantistico? La risposta è: "dipende". Esistono infatti molti tipi diversi di dispositivi quantistici, che funzionano sfruttando principi fisici molto differenti fra di loro. La startup franco-americana Alice & Bob ha scommesso su dei chip particolari che chiama "cat qubit" in inglese, o "qubit a gatto", e tale scommessa sta ora portando a risultati interessanti: l'azienda ha infatti annunciato che i suoi chip sono in grado di resistere a uno dei due principali errori che si riscontrano nei computer quantistici, il bit flip, per circa un'ora.

Qubit a gatto ed errori quantistici

L'espressione "qubit a gatto" può far sorridere, ma è un riferimento alla famosa metafora del gatto di Schroedinger in cui il gatto è sia vivo, sia morto, finché non si controlla aprendo la scatola in cui è stato chiuso. Il nome deriva dal fatto che i qubit sono creati usando superconduttori che intrappolano coppie di fotoni, che racchiudono l'informazione nella sovrapposizione dei propri stati.

Il vantaggio principale di questo approccio è che offre una protezione dagli errori di bit flip molto maggiore rispetto alle alternative, in particolare a quelle basate su altri approcci ai superconduttori (come le giunzioni di Josephson usate, ad esempio, da IBM). I bit flip sono errori in cui il valore del bit (o qubit, in questo caso) passa da 0 a 1 o viceversa, e sono uno dei due tipi di errori possibili in campo quantistico; l'altro tipo di errore è quello di phase flip, in cui la fase del qubit passa da + a - (o viceversa).

Alice & Bob ha annunciato i risultati di un nuovo esperimento in cui i tempi di bit flip sono stati, in media, di circa 44 minuti (a metà strada tra 33 e 60 minuti) sul chip Helium 2. Per mettere in prospettiva il dato, i chip basati su giunzioni di Josephson hanno un tempo medio tra bit flip di 25 millisecondi, ovvero circa 100.000 volte inferiore. Alice & Bob aveva annunciato come obiettivo per il 2030 il raggiungimento di un tempo medio fra gli errori di 13 minuti, ovvero circa un terzo di quanto già ottenuto.

Ma perché questo dato è particolarmente importante? Perché la costante presenza degli errori implica che non sia possibile usare i computer quantistici per calcoli complessi o su larga scala, e non è possibile costruire dispositivi con un numero sufficiente di qubit per affrontare i calcoli necessari a quegli avanzamenti scientifici e tecnologici che ci aspettiamo (come, ad esempio, la simulazione di molecole complesse per la farmacologia o l'industria chimica). La riduzione degli errori di bit flip a livelli così bassi significa che ora gli scienziati e gli ingegneri di Alice & Bob devono concentrarsi solo sulla riduzione degli errori di phase flip, che è molto più semplice da gestire da sola anziché in combinazione con il bit flip. Per fare un paragone, è come fare il giocoliere con due o con quattro palle: la possibilità di errore è molto più elevata nel secondo caso.

Avere a disposizione chip in grado di ridurre significativamente gli errori consente dunque di progettare dispositivi su più larga scala e in grado di offrire prestazioni sensibilmente più elevate. Oltre a ciò, il problema di dover costruire computer quantistici enormi si riduce significativamente: finora si è infatti ritenuto che fossero necessarie centinaia o migliaia di qubit fisici per costruirne uno logico (ovvero un qubit "perfetto", che è possibile gestire a livello di programmazione indipendentemente dagli errori presenti nell'hardware e sapendo che manterrà le sue proprietà); se Alice & Bob saprà mantenere lo stesso livello di errore anche su chip più grandi, l'aspettativa è invece che siano richiesti solo pochi qubit fisici, nell'ordine delle decine, per crearne uno logico. Il che renderebbe necessari computer quantistici di dimensioni relativamente piccole per poter ottenere risultati concreti, e ciò avvicinerebbe il momento in cui sarà possibile: anziché fra dieci o vent'anni, magari fra cinque.

La corsa continua

È facile lasciarsi prendere dall'entusiasmo quando vengono pubblicati risultati come questo, ma vedremo solo nel corso dei prossimi mesi e anni se Alice & Bob riuscirà effettivamente a mantenere questo basso livello d'errore pur aumentando il numero di qubit che impiega. Nel frattempo, ancora una volta c'è la conferma che il mondo dei computer quantistici procede a passo speditissimo e che le sorprese continuano ad arrivare. La corsa verso il primo computer quantistico con applicazioni reali è più viva che mai.