I raggi cosmici mettono a rischio i computer quantistici, secondo una ricerca di Google

Quello dei raggi cosmici è un problema con cui le apparecchiature elettroniche devono costantemente fare i conti e sono il motivo principale per cui le strumentazioni particolarmente sensibili devono stare in ambienti particolari: l'esempio forse più famoso è quello di strutture come il CERN o come il laboratorio del Gran Sasso, costruite rispettivamente sotto terra e dentro una montagna proprio per evitare le interferenze dovute ai raggi cosmici. Sembra che il problema potrà essere di particolare rilevanza anche per i computer quantistici e rischia, stando a una ricerca condotta da Google, di costituire un ostacolo piuttosto ostico da superare per questi dispositivi in futuro.

I computer quantistici hanno un problema: i raggi cosmici

Il motivo principale per cui è stata inventata la memoria ECC, usata ampiamente nei server, è perché può capitare che avvenga un cosiddetto bit flip, ovvero l'inversione di un bit da 0 a 1 (o viceversa). La ragione di tale bit flip è da ricercare nei raggi cosmici che colpiscono costantemente la Terra; il tasso di errori è piuttosto elevato e, secondo uno studio di Google pubblicato nel 2009, arriva a 1 bit di errore per ogni gigabyte di RAM ogni 1,8 ore. Le conseguenze non sono, fortunatamente, drastiche e la memoria ECC è sufficiente ad annullarle nella stragrande maggioranza dei casi. Tale memoria usa infatti dei codici di controllo che le permettono di rimediare agli errori.

Nel caso dei computer quantistici, invece, le conseguenze appaiono più gravi. Ogni volta che un raggio cosmico colpisce un materiale, c'è la possibilità che si creino delle vibrazioni nel materiale stesso. Tali vibrazioni sono descritte da delle quasiparticelle chiamate fononi: il concetto è simile a quello dei fotoni, ma applicato alle vibrazioni, per cui i fononi sono una quantizzazione di una vibrazione, una sorta di particella che descrive il movimento vibrazionale. Il problema dei fononi è che trasmettono energia e proprio quest'energia va a cambiare lo stato quantistico dei materiali con cui entra in contatto. Se questo cambiamento è relativamente poco importante nell'ambito della fisica classica, in ambito quantistico significa la perdita dello stato quantistico e, quindi, l'impossibilità di usarlo poi per fare i calcoli.

Ora, così come nelle memorie ECC classiche, in teoria il fatto che un singolo qubit (ovvero un "bit quantistico") venga compromesso non dovrebbe essere un problema nel momento in cui viene applicata la correzione degli errori. Oggigiorno siamo ancora lontani dall'avere computer quantistici con applicazioni pratiche e ancora più lontani da computer quantistici con applicazioni pratiche e in grado di correggere automaticamente gli errori.

La ricerca di Google, però, svela che i fononi interagiscono con più di un qubit. Nello specifico, i ricercatori hanno scelto 26 dei 53 qubit presenti sul processore Sycamore, selezionando quelli caratterizzati da un basso tasso di errori. Tali qubit sono stati posti nello stesso stato quantistico e poi lasciati inattivi per 100 microsecondi (un decimo di millisecondo). La scoperta è che il processore tipicamente otteneva quattro errori sui 26 qubit a disposizione, ma quando un raggio cosmico lo colpiva c'era un aumento a 24 errori. Ciò avveniva nonostante i qubit fossero fisicamente a una distanza significativa l'uno dall'altro, pari a circa un millimetro.

Il motivo per cui i ricercatori di Google sono riusciti a individuare la causa del problema è che i fononi spesso non hanno sufficiente energia per far passare un qubit dal suo stato fondamentale (ovvero lo stato con energia minima) al suo stato di eccitazione, ma possono invece assorbire energia per farlo passare dallo stato di eccitazione a quello fondamentale. Nel caso in cui siano i fononi a mediare le interazioni viste dai ricercatori, dunque, è lecito aspettarsi che ci siano più errori quando i qubit partono nello stato di eccitazione. Ciò è esattamente quanto è accaduto ed è il motivo per cui i ricercatori di Google sono giunti alla conclusione che il problema risieda nei raggi cosmici.

Una delle cose forse più interessanti e sorprendenti della vicenda è che la velocità del controllo dello stato dei qubit è tale che i ricercatori sono stati in grado di seguire la propagazione degli errori e di vedere i qubit cambiare stato mentre le vibrazioni si diffondevano sul processore.

Un semplice intoppo o un problema (molto) più serio?

Questa scoperta di Google pone più di un problema allo sviluppo dei computer quantistici, perlomeno quando si parla di quelli che fanno uso di qubit superconduttori. La correzione degli errori si basa sull'assunto che in un gruppo di qubit sia solo uno (o comunque un numero molto basso) di essi a riscontrare errori; nel caso dei raggi cosmici, tuttavia, tutti i qubit vicini vengono rapidamente coinvolti e c'è un'alta probabilità che riscontrino errori, di fatto impedendo la possibilità della correzione degli errori.

Chiaramente la gravità di un problema di questo tipo è collegata con la sua frequenza: se l'errore è molto raro, preoccuparsene non è necessario; se, invece, è molto frequente, allora è necessario prendere delle contromisure. Secondo la ricerca, in media c'è un errore di questo tipo ogni 10 minuti, il che preclude la possibilità di eseguire calcoli che richiedono ore (tipicamente i calcoli che vengono ritenuti interessanti in ambito scientifico e aziendale). È probabile che il problema diventi più significativo con l'aumento dei qubit.

Ciò rende lo sviluppo e l'uso dei computer quantistici basati su qubit superconduttori problematico, perché non è attualmente presente una soluzione. I ricercatori affermano che i progettisti dei telescopi spaziali, come ad esempio Hubble o James Webb, hanno dovuto affrontare problemi simili e li hanno risolti, ma non è chiaro se tali soluzioni saranno applicabili anche nel caso dei computer quantistici. Non è peraltro noto se altre tecnologie, come le trappole ioniche usate da Quantinuum e da IonQ, siano immuni.

È ancora presto per fare affermazioni di larga portata sull'evoluzione dei computer quantistici in futuro, ma sembra proprio che questo sia un problema che dovrà essere affrontato prima di poter arrivare a quel famoso "vantaggio quantistico" di cui si parla da tempo.