Quantinuum e Microsoft migliorano di 800 volte la correzione degli errori sui computer quantistici

I computer quantistici attuali sono ben lontani dall'offrire quei risultati mirabolanti di cui si parla da tempo. Il motivo è principalmente uno: il rumore, che causa errori. Un nuovo sviluppo di Microsoft e Quantinuum, azienda nata come costola di Honeywell e ora indipendente, avvicina però quel futuro in cui è possibile impiegare i computer quantistici per applicazioni reali: le due aziende hanno comunicato di essere riuscite ad abbassare il tasso di errore di 800 volte usando i qubit logici, ottenuti con molti meno qubit fisici di quanto previsto precedentemente.

Il problema degli errori nei computer quantistici

I computer quantistici promettono di rivoluzionare molti settori, ma perché ciò possa avvenire sarà necessario sviluppare tecniche per tenere sotto controllo gli errori in maniera efficace. Per fare ciò, però, non è possibile usare le tecniche che già conosciamo dai computer classici: il teorema di non-clonazione quantistica fa sì che non sia possibile copiare lo stato quantistico di una particella e applicarlo a un'altra. Gli esperti hanno da tempo trovato una soluzione: usare più qubit fisici, in entanglement tra di loro, per creare dei cosiddetti qubit logici usando un algoritmo che corregge automaticamente gli errori. In altri termini, anche se c'è un errore nei qubit fisici, questo non si propaga a quelli logici.

Tali qubit hanno tutte le proprietà logiche che ci si aspetta, ma sono fisicamente composti da più qubit (ovvero particelle) effettivi. Per fare un paragone non del tutto appropriato, ma utile a spiegare il concetto, potremmo assimilare questo aspetto al fatto che, nei computer classici, la memorizzazione di un bit richiede più di un transistor: una cella SRAM, ad esempio, richiede 6 o più transistor per contenere il valore di un singolo bit. Quello che però si "vede" (e si manipola) a livello logico è proprio il singolo bit, non i sei transistor; una simile logica si può applicare al caso quantistico: più qubit fisici vengono messi insieme per ottenere un singolo qubit logico.

Tale approccio non è privo di sfide e problemi: finora si riteneva che fossero necessari centinaia, se non migliaia, di qubit fisici per ottenerne uno logico. Oltre a un problema di quantità, ce n'è anche uno di qualità: in base all'algoritmo usato per implementare la correzione degli errori, esiste una soglia massima oltre la quale è la correzione stessa a introdurre più rumore di quanto non ne rimuova. Che il tasso di errore si trovi sopra o sotto tale soglia dipende dall'hardware e dalla qualità dei qubit (ovvero il loro tasso intrinseco di errore) che mette a disposizione.

Una nuova tecnica per la correzione da Microsoft e Quantinuum

L'annuncio di Microsoft e Quantinuum è rilevante perché introduce un miglioramento estremamente significativo nel numero di qubit fisici necessari per crearne uno logico e avvicina così il momento in cui sarà possibile avere computer quantistici in grado di resistere agli errori e di fornire dunque risultati affidabili e coerenti.

Le due aziende hanno collaborato negli scorsi cinque anni e sono riuscite a creare 4 qubit logici con appena 30 qubit fisici: un passo in avanti monumentale rispetto alla stima iniziale di 300 qubit fisici, esattamente dieci volte tanto. Usando tali qubit, Quantinuum ha eseguito 14.000 circuiti quantistici (ovvero specifiche funzioni) senza errori, mentre Microsoft ha dimostrato di poter rilevare e misurare gli errori senza intaccare il valore dei qubit fisici.

Microsoft scrive che il tasso di errore è di 10^(-5), ovvero 0,00001, che implica un errore ogni 100.000 esecuzioni. Si tratta di un miglioramento di 800 volte rispetto a quello (0,008) ottenibile eseguendo gli stessi calcoli sui qubit fisici.

Questo passo in avanti è dovuto in non piccola misura al fatto che il computer quantistico di Quantinuum usa delle trappole ioniche (come quella nella prima immagine di questo articolo) per catturare degli ioni e manipolarli usando dei laser. Questa tecnica consente all'azienda di ottenere un tasso di errore molto basso e proprio questo è un fattore chiave nel limitato numero di qubit usati. Tuttavia, questo approccio ha anche degli aspetti negativi, perché le operazioni sugli ioni sono decisamente più lente rispetto ad altri approcci (come quello a superconduttori usato da IBM, ad esempio) e la finestra di tempo utile per eseguire le operazioni è dunque relativamente più corta. In pratica, non è detto in fin dei conti che ci sia un vantaggio così netto rispetto ai concorrenti dettato da questa tecnologia.

In ogni caso, il fatto che siano serviti solo 30 qubit fisici per ottenerne 4 logici è un cambiamento significativo nel panorama dei computer quantistici. Significa che, se tutto va bene, potremo vedere dispositivi in grado di fare calcoli complessi con applicazioni reali nel giro di qualche anno, anziché di qualche decennio. Con tutto ciò che ne consegue: l'impatto sulla chimica, la farmacologia, la logistica, l'intelligenza artificiale e moltissimi altri campi si preannuncia immenso. La strada è ancora lunga, perché servirà avere qubit logici in grado di incontrare meno di un errore ogni 100 milioni di operazioni, ma pare più corta di quanto non sembrasse fino a ieri.