Il nuovo computer quantistico di IonQ ha un quantum volume da record

Il mondo dei computer quantistici è attualmente piuttosto variegato e complesso, con diversi produttori che usano approcci radicalmente differenti e in grado di produrre risultati estremamente diversi. Le differenze sono tali che non c'è nemmeno un accordo su come confrontare queste macchine, visto che i principi fisici di funzionamento sono spesso completamente diversi. A dimostrazione di ciò la startup americana IonQ ha presentato nella giornata di giovedì la nuova generazione del suo computer quantistico basato sulle trappole di ioni, con 32 qubit e un quantum volume dichiarato di cinque ordini di grandezza superiore rispetto alla concorrenza.

Trappole ioniche, superconduttori e altro: il tumultuoso mondo del quantum computing

Il mondo dei computer quantistici è piuttosto diviso non solo a livello commerciale, ma anche a livello tecnologico. Non esiste infatti un modello unico di processore come avviene nel mondo dei computer basati sul silicio, ma esistono diversi modelli teorici che portano a diverse realizzazioni. Le differenze sono tali che dispositivi che effettuano operazioni completamente diverse e non sempre compatibili tra di loro.

L'esempio principe di ciò è il supercomputer D-Wave Advantage recentemente annunciato: si tratta di un dispositivo che effettua la ricottura quantistica, o quantum annealing, e non è pertanto un computer in grado di svolgere qualunque operazione matematica e logica (non è Turing-completo, per essere specifici).

L'Advantage non è un computer dello stesso tipo di quelli prodotti dagli altri marchi anche per via di come è costruito: utilizza giunzioni Josephson, mentre Google, IBM e Rigetti usano qubit superconduttori. Ancora diversi sono i computer quantistici di Honeywell e di IonQ: entrambe le aziende utilizzano le trappole ioniche.

Il concetto alla base delle trappole ioniche è quello del controllo e della manipolazione di un singolo atomo. Da tempo è possibile isolare singoli atomi e "intrappolarli" all'interno di strutture ben precise, dove è possibile poi eseguire misurazioni e manipolazioni di vario tipo: gli orologi atomici funzionano esattamente secondo questo principio e usando tecnologie del tutto simili. Uno ione, ovvero un atomo carico elettricamente, viene inserito in una "trappola" dove può essere bombardato con fotoni o elettroni per modificarne le proprietà o tramite i quali "leggerne" le proprietà.

Il principale vantaggio dato da questo approccio è quello degli errori. I dispositivi basati su superconduttori sono infatti piuttosto propensi a interferenze dal mondo esterno e questo implica un tasso di errore nelle letture piuttosto elevato, che porta poi a errori nei calcoli. Questi errori sono intrinsechi della tecnologia e, per quanto questa possa migliorare, faranno sempre parte del funzionamento dei computer quantistici di questo tipo, con ogni probabilità. Le trappole ioniche consentono invece di avere un livello di controllo molto elevato, tale da ridurre al minimo gli errori. Ciò dovrebbe portare, con l'aumento dei qubit a disposizione, a una potenza di calcolo di fatto molto più elevata rispetto a quanto possibile con le altre tecnologie.

Un altro aspetto è quello della connessione tra i qubit: nel caso delle trappole ioniche è possibile interconnettere i qubit virtualmente senza limitazioni, mentre per le altre tecnologie è necessario rivedere il progetto del chip. Le trappole ioniche permettono dunque di ottenere una maggiore flessibilità, che a sua volta può implicare una maggiore potenza di calcolo visto che è possibile costruire circuiti quantistici più complessi.

Fare confronti è quindi estremamente difficile, dal momento che sarebbe come confrontare aerei e biciclette: per quanto siano entrambi mezzi di trasporto, non hanno praticamente elementi in comune per i quali sia possibile effettuare un confronto. Per questo è stato sviluppato il quantum volume, un parametro ideato da IBM e che dovrebbe permettere di confrontare i vari computer quantistici in base al tipo di operazioni effettuate, al tasso di errore e così via.

IonQ tra i qubit, il quantum volume e lo sviluppo futuro

La nuova generazione di computer quantistici sviluppata da IonQ offre 32 qubit, ovvero quasi tre volte gli 11 della precedente generazione. Si tratta di un numero ancora ridotto rispetto a quello offerto da concorrenti come IBM, ma la differenza più sostanziale è nell'efficienza.

IonQ utilizza trappole ioniche più grandi e in grado di offrire maggiore stabilità, nonché un maggiore controllo sull'atomo intrappolato e quindi, in ultima analisi, un minore tasso di errori.

La fedeltà, ovvero la (non) presenza di errori, è aumentata drasticamente rispetto alla scorsa generazione e ciò porta a un quantum volume di circa 4 milioni, ovvero ben cinque ordini di grandezza sopra i concorrenti. Grazie all'uso di una tecnologia più efficiente e meno soggetto agli errori il valore sale notevolmente, tanto che appare quasi perdere di significato.

Peter Chapman, AD e presidente di IonQ, afferma che "in una sola generazione di hardware [contraddicendo il resto del comunicato stampa, in cui si parla di "prossima generazione", NdR] siamo passati da 11 a 32 qubit. A seconda dell'applicazione, i nostri clienti avranno bisogno di qubit ad alta fedeltà e porte logiche in un numero compreso tra 80 e 150 per vedere il vantaggio quantistico. Il nostro obiettivo è di raddoppiare (o anche più) il numero di qubit ogni anno. Con due nuove generazioni di hardware già in lavorazione, le società che non lavorano col quantum corrono ora il rischio di rimanere indietro."

La speranza di IonQ è di riuscire entro un paio d'anni ad aumentare la potenza di calcolo al punto da riuscire a dimostrare il vantaggio quantistico, la presunta superiorità dei computer quantistici rispetto a quelli tradizionali. L'azienda si aspetta di riuscire a continuare a raddoppiare il numero di qubit ogni sei-otto mesi per diversi anni, ottenendo un numero sufficiente di qubit da poter creare qubit logici: qubit in grado di rilevare e correggere gli errori. Secondo IonQ serviranno 13 qubit per creare un singolo qubit logico: la strada è ancora lunga, ma appare piuttosto interessante da percorrere.