Gli scienziati di Oxford riducono l'errore quantistico a un minimo storico

Un crescente interesse per la tecnologia quantistica ha portato le sue dimensioni di mercato a superare 1 miliardo di dollari e si prevede che sarà valutato a più di $170 miliardi entro il 2040. Secondo McKinsey, la tecnologia quantistica potrebbe creare valore per migliaia di miliardi di dollari entro il prossimo decennio. 

Nell'ecosistema della tecnologia quantistica, in particolare l'informatica quantistica racchiude un potenziale enorme. Si basa sull'uso della meccanica quantistica, che si occupa semplicemente del comportamento della materia e dell'energia a livello atomico e subatomico, per risolvere problemi complessi. 

Si prevede che l'informatica quantistica avrà un profondo impatto in vari campi, tra cui tecnologia, ricerca, scienza, finanza ed economia.

A differenza dei computer classici, come i nostri laptop, che memorizzano ed elaborano le informazioni in bit, ognuno dei quali è uno zero o un uno, l'unità di base nel calcolo quantistico è un qubit. Un chip quantistico è composto da molti bit quantistici, o qubit, che sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni, manipolate e controllate da campi elettrici e magnetici appositamente progettati.

I qubit possono trovarsi nello stato zero, uno o in una combinazione di entrambi. Questa combinazione, chiamata "stato di sovrapposizione", è una proprietà distintiva che consente ai computer quantistici di memorizzare ed elaborare set di dati estremamente grandi, molto più velocemente persino dei più potenti computer classici.

Esistono molti modi diversi per realizzare questi qubit, ad esempio utilizzando semiconduttori, fotonica, dispositivi superconduttori e altri approcci.

La qualità dei qubit è di grande importanza in questo caso. Tuttavia, sono sensibili a errori o rumore, ovvero disturbi indesiderati che possono provenire da diverse fonti. Queste fonti potrebbero includere variazioni di temperatura, imperfezioni nel processo di produzione e interazioni con l'ambiente in cui si trova il qubit, tra le altre.

Questi errori riducono l'affidabilità di un qubit, nota come fedeltà. Un qubit con elevata fedeltà è essenziale per un chip quantistico per eseguire compiti complessi.

Rendere l'affidabilità quantistica una realtà

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno lavorato sui qubit logici, ovvero qubit codificati utilizzando un insieme di qubit fisici per proteggere dagli errori. Mentre i qubit fisici rappresentano l'hardware quantistico vero e proprio, un qubit logico è un'astrazione che imita un qubit tollerante ai guasti.

I principali sviluppatori di chip quantistici hanno spostato la loro attenzione sui qubit logici e stanno facendo progressi significativi nella correzione degli errori quantistici.

Ad esempio, nel dicembre 2024, Google (GOOG )  svelato Il suo chip quantistico chiamato Willow. Questo nuovo chip, basato su qubit superconduttori, è stato annunciato come una svolta fondamentale nel campo del calcolo quantistico, sebbene al momento non abbia applicazioni concrete.

In genere, più qubit vengono utilizzati, più errori si verificano si verificano e il sistema diventa classico. Tuttavia, Google dimostrato¹ che più qubit venivano utilizzati in Willow, meno errori venivano ridottie più il sistema diventava quantistico. 

Il gigante della tecnologia è riuscito a ridurre gli errori "in modo esponenziale" aumentando il numero di qubit, ha affermato Hartmut Neven, fondatore di Google Quantum AI. Questo "risolve una sfida fondamentale nella correzione degli errori quantistici, che il settore persegue da quasi 30 anni", ha aggiunto.

Per misurare le prestazioni di Willow, Google ha utilizzato lo standard RCS (random circuit sampling). Il suo chip quantistico ha eseguito in meno di cinque minuti un calcolo che un supercomputer impiegherebbe 10 settilioni di anni.

A febbraio di quest'anno, Microsoft (MSFT ) anche svelato Il primo processore quantistico al mondo basato su qubit topologici. Majorana 1 è progettato per scalare fino a un milione di qubit su un singolo chip. Con questo risultato, il colosso della tecnologia ha affermato di essere sulla buona strada per costruire un prototipo di computer quantistico scalabile e fault-tolerant in pochi anni.

La base di Majorana 1 è la svolta compiuta dal team, in particolare il topoconduttore, una classe di materiali che ha permesso la creazione di superconduttività topologica. Questo è il risultato della fabbricazione di un dispositivo che combina alluminio (un superconduttore) e arseniuro di indio (un semiconduttore).

Quando questo dispositivo viene raffreddato quasi a zero e poi sintonizzato con campi magnetici, forma nanofili superconduttori topologici, le cui estremità contengono modalità Majorana Zero (MZM) che fungono da elementi costitutivi dei loro qubit.

Per sfruttare al meglio le potenzialità della fisica quantistica, il team ha già posizionato otto qubit topologici su un chip progettato per ospitarne un milione.

Anche Amazon ha ha annunciato il suo chip quantistico denominato "Ocelot", che utilizza un'architettura scalabile per ridurre la correzione degli errori fino al 90%. 

Il chip è costituito da due microchip di silicio integrati, ciascuno con una superficie di circa un centimetro quadrato, incollati uno sopra l'altro in una pila di chip collegata elettricamente. La superficie di ciascun microchip presenta sottili strati di materiali superconduttori, che formano gli elementi del circuito quantistico.

Il chip Ocelot è costituito da 14 elementi principali, tra cui cinque qubit di dati (qubit cat), altri cinque per stabilizzare i qubit di dati e altri quattro qubit per rilevare errori sui qubit di dati.

I qubit cat memorizzano gli stati quantistici e per farlo si affidano a oscillatori realizzati da una sottile pellicola di tantalio, che producono costantemente un segnale elettrico ripetitivo. 

Grazie ai recenti progressi nella ricerca quantistica, non è più una questione di se, ma di quando computer quantistici pratici e tolleranti ai guasti saranno disponibili per applicazioni nel mondo reale. Ocelot è un passo importante in questo percorso.

– Oskar Painter, direttore di Quantum Hardware di AWS.

Si ritiene che l'architettura Ocelot possa accelerare i tempi per la realizzazione di un computer quantistico pratico fino a cinque anni.

La corsa verso sistemi quantistici tolleranti ai guasti

Migliorare l'accuratezza dei calcoli quantistici è l'obiettivo principale di aziende e ricercatori in tutto il mondo e in questo campo sono stati compiuti passi da gigante.

Solo un paio di anni fa, i ricercatori del MIT in mostra Un nuovo framework di qubit superconduttori in grado di eseguire operazioni tra qubit con grande precisione. Il nuovo tipo di qubit superconduttore è il fluxonio, che può avere una durata di vita, o tempi di coerenza, molto più lunghi di quelli comunemente utilizzati. 

Il tempo di coerenza è una misura di quanto tempo un qubit può eseguire operazioni prima che tutte le informazioni in esso contenute vadano perse.

“Quanto più a lungo vive un qubit, tanto più fedeli saranno le operazioni che tende a promuovere.”

– Autore principale, Leon Ding

L'architettura, nel frattempo, prevedeva uno speciale elemento di accoppiamento tra due qubit di fluxonio, consentendo loro di eseguire operazioni logiche, note come porte, con elevata precisione. Sopprimeva inoltre il rumore di fondo che può causare errori nelle operazioni quantistiche.

L'accuratezza delle porte a due qubit ha superato il 99.9%, mentre quella delle porte a un solo qubit è del 99.99%. L'architettura, nel frattempo, è stata implementata su un chip utilizzando un processo di fabbricazione estensibile.

"La costruzione di un computer quantistico su larga scala inizia con qubit e porte robuste", e lo studio ha mostrato un sistema a due qubit altamente promettente, ha affermato Ding. I qubit di fluxonio hanno raggiunto tempi di coerenza superiori al millisecondo. Il passo successivo è stato aumentare il numero di qubit.

Un paio di mesi fa, anche i ricercatori del MIT svelato Un circuito quantistico superconduttore che ha raggiunto un forte accoppiamento non lineare tra fotoni (luce a microonde) e atomi artificiali (qubit). Potrebbe consentire la lettura e l'elaborazione di informazioni quantistiche in pochi nanosecondi.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato un esclusivo circuito superconduttore per dimostrare l'accoppiamento non lineare luce-materia, che è significativamente più forte di quanto osservato in precedenza e può consentire a un processore quantistico di funzionare fino a 10 volte più velocemente.

Secondo l'autore principale Yufeng "Bright" Ye:

"Questo eliminerebbe davvero uno dei colli di bottiglia del calcolo quantistico. Di solito, è necessario misurare i risultati dei calcoli tra un ciclo di correzione degli errori e l'altro. Questo potrebbe accelerare la velocità con cui possiamo raggiungere la fase di calcolo quantistico fault-tolerant e ottenere applicazioni e valore dal mondo reale dai nostri computer quantistici."

In particolare, Ye ha inventato un nuovo tipo di accoppiatore quantistico per facilitare le interazioni tra i qubit. L'accoppiatore quartonico è un particolare tipo di circuito superconduttore in grado di generare un accoppiamento non lineare estremamente forte e, alimentandolo con maggiore corrente, crea un'interazione non lineare ancora più forte. Ye ha spiegato:

"La maggior parte delle interazioni utili nel calcolo quantistico deriva dall'accoppiamento non lineare di luce e materia. Se si riesce a ottenere una gamma più versatile di diversi tipi di accoppiamento e ad aumentarne l'intensità, si può essenzialmente aumentare la velocità di elaborazione del computer quantistico." 

Con questo lavoro, i ricercatori sperano che altri possano costruire un computer quantistico a prova di guasti per calcoli quantistici pratici su larga scala.

Nel frattempo, le innovazioni della SQMS Nanofabrication Taskforce hanno raggiunto² tempi di coerenza fino a 0.6 millisecondi, risultato di una progettazione ottimizzata dei qubit e di risonatori di lettura migliorati, entrambi fattori che hanno migliorato la stabilità e la coerenza. 

Questa collaborazione tra il National Institute of Standards and Technology (NIST), il Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center del Fermilab e diversi altri partner governativi, universitari e industriali mira ad avvicinare la ricerca quantistica alla realtà. 

Tra tutte queste iniziative volte a costruire computer quantistici scalabili e tolleranti ai guasti, i fisici dell'Università di Oxford hanno stabilito un nuovo record mondiale per la precisione delle operazioni sui qubit.

Stabilire un nuovo punto di riferimento globale per la precisione quantistica

Il nuovo studio, pubblicato su Physical Review Letters³, dimostra che i fisici di Oxford hanno raggiunto un tasso di errore pari ad appena lo 0.000015% per una singola operazione logica quantistica. 

Ciò equivale a un errore ogni 6.7 milioni di operazioni, il che rappresenta un nuovo record per la precisione delle operazioni sui qubit e un grande passo avanti verso computer quantistici più robusti e utili per affrontare problemi altamente complessi con meno qubit fisici e requisiti infrastrutturali ridotti.

"Per quanto ne sappiamo, questa è l'operazione qubit più accurata mai registrata al mondo. È un passo importante verso la costruzione di computer quantistici pratici in grado di affrontare problemi del mondo reale." 

– Il coautore dello studio, il professor David Lucas, Dipartimento di Fisica, Università di Oxford

La cosa interessante è che questa scoperta supera il record precedente stabilito dallo stesso team. Il nuovo record è circa sette volte più preciso del precedente.

Poco più di un decennio fa, la squadra implementato⁴ tutte le operazioni a singolo qubit con fedeltà ben al di sopra della soglia minima necessaria per il calcolo quantistico a prova di errore, utilizzando un qubit a ioni intrappolati che è stato memorizzato in stati iperfini di "orologio atomico". All'epoca, il tasso di errore su un singolo qubit era pari a 1 su 1 milione. 

Questo successo ha portato al lancio della società spin-off chiamata Oxford Ionics nel 2019, che è diventata leader nelle piattaforme qubit a ioni intrappolati ad alte prestazioni. Nel maggio 2025, delineato tre fasi di sviluppo a breve termine: "Foundation", "Enterprise-grade" e "Value at scale", per raggiungere un ampio valore commerciale entro i prossimi 3 anni e fornire 1 milione di dispositivi qubit. Proprio la scorsa settimana, Oxford Ionics ha stipulato un accordo con IonQ (IONQ ) per acquisirla per 1.075 miliardi di dollari.

Ora, lo stesso team ha raggiunto un nuovo traguardo nel ridurre la probabilità che le porte logiche quantistiche commettano errori.

Eseguire calcoli utili su un computer quantistico richiede milioni di operazioni su molti qubit. Ma questa portata implica che un alto tasso di errore può rendere il risultato finale insignificante e inutile.

Correggere l'errore può risolvere l'errore stesso, ma ciò richiede ancora più qubit. Quindi, riducendo l'errore, il nuovo studio riduce il numero di qubit necessari, il che a sua volta riduce le dimensioni e il costo del computer quantistico.

"Riducendo drasticamente la possibilità di errore, questo lavoro riduce significativamente l'infrastruttura necessaria per la correzione degli errori, aprendo la strada a futuri computer quantistici più piccoli, veloci ed efficienti. Il controllo preciso dei qubit sarà utile anche per altre tecnologie quantistiche come orologi e sensori quantistici", ha affermato Molly Smith, coautrice principale dello studio e studentessa laureata a Oxford.

Per raggiungere un livello di precisione senza precedenti, i fisici hanno utilizzato uno ione di calcio intrappolato come bit quantico o qubit.

Gli ioni calcio sono comunemente usati per memorizzare informazioni quantistiche grazie ai loro lunghi tempi di coerenza e all'elevata fedeltà nelle operazioni quantistiche. Sono anche molto robusti e facili da manipolare con i laser.

Il team di Oxford, tuttavia, non ha utilizzato il convenzionale approccio laser; ha invece utilizzato segnali elettronici (a microonde) per controllare lo stato quantistico degli ioni di calcio.

Con questa tecnica, sono riusciti a ottenere una maggiore stabilità rispetto a quella offerta dal controllo laser. Ma non è tutto. Rispetto ai laser, il controllo elettronico è anche più economico e robusto. È anche più facile da integrare nei chip a intrappolamento ionico. 

Inoltre, l'esperimento è stato condotto senza schermatura magnetica e a temperatura ambiente, il che semplifica i requisiti tecnici per un computer quantistico funzionante.

Pertanto, questa volta il team è riuscito a ridurre l'errore di quasi un ordine di grandezza grazie a un migliore controllo dell'ampiezza delle microonde e alla desintonizzazione con procedure di calibrazione automatizzate. A questo risultato hanno contribuito anche la riduzione dell'eccitazione delle transizioni spettatrici grazie a maggiori splitting Zeeman, nonché l'uso del pulse shaping. 

La precisione da record è un risultato enorme; tuttavia, è solo una parte di una sfida più ampia. Come ha osservato il team, il calcolo quantistico richiede che porte a singolo e doppio qubit funzionino insieme, e le porte a due qubit soffrono ancora di alti tassi di errore.

Attualmente, il tasso di errore migliore è di circa 1 su 2000, quindi per costruire una macchina quantistica completamente tollerante ai guasti, il team deve ridurre questo numero.

Le operazioni a singolo qubit ad alta fedeltà hanno ancora molti utilizzi sia nell'informazione quantistica che in altri ambiti, tra cui la protezione dei qubit "inattivi" tramite disaccoppiamento dinamico, nelle applicazioni di rilevamento quantistico e nelle sequenze di impulsi compositi per gestire singoli qubit e compensare gli errori.

Investire nel calcolo quantistico

International Business Machines Corporation (IBM ), nota per le sue piattaforme cloud ibride e di intelligenza artificiale e per i servizi di consulenza e infrastruttura, esplora la tecnologia quantistica dagli anni '1970. Nel 2016 ha lanciato IBM Quantum Experience, che ha messo il primo processore quantistico sul cloud, rendendolo a sua volta accessibile a tutti.

IBM (IBM ) 

Nel corso degli anni, IBM ha continuato la sua ricerca in questo campo e la scorsa settimana ha annunciato l'intenzione di avere un computer quantistico operativo pronto entro il 2029.

Denominato "Starling", il computer quantistico fault-tolerant con 200 qubit logici sarà costruito in un data center in costruzione a Poughkeepsie, New York.

Secondo quanto riportato, il team ha sviluppato un nuovo algoritmo che riduce significativamente il numero di qubit necessari per la correzione degli errori. Jay Gambetta, responsabile dell'iniziativa quantistica di IBM, ha dichiarato quanto segue in un'intervista:

"Abbiamo risposto a queste domande scientifiche. Non c'è bisogno di un miracolo adesso. Ora serve una grande sfida ingegneristica. Non c'è bisogno di reinventare gli strumenti o cose del genere."

Ora, se consideriamo la capitalizzazione di mercato di 257.64 miliardi di dollari, l'andamento di mercato di IBM: le sue azioni sono attualmente scambiate a 278 dollari, in rialzo del 26.11% da inizio anno. Le azioni IBM hanno addirittura raggiunto il massimo storico (ATH) di 281.75 dollari solo la scorsa settimana.

Pertanto, l'EPS (TTM) è 5.85 e il P/E (TTM) è 47.42, mentre il rendimento dei dividendi offerto è del 2.42%.

Per quanto riguarda i dati finanziari di IBM, l'azienda ha registrato un fatturato di 14.5 miliardi di dollari per il primo trimestre del 2025. Il margine di profitto lordo GAAP durante questo periodo è stato del 55.2%, mentre il margine di profitto operativo non GAAP è stato del 56.6%. Il margine di utile ante imposte GAAP, invece, è stato dell'8% e il margine operativo non GAAP del 12%.

Abbiamo superato le aspettative in termini di fatturato, redditività e flusso di cassa libero nel trimestre, trainati dalla solidità del nostro portafoglio software. La domanda di IA generativa continua a essere forte e il nostro portafoglio clienti ammonta a oltre 6 miliardi di dollari dall'inizio ad oggi, in crescita di oltre 1 miliardo di dollari nel trimestre. 

– CEO Arvind Krishna

Nel primo trimestre di quest'anno, la liquidità netta generata dalle attività operative è stata di 4.4 miliardi di dollari, mentre il flusso di cassa libero è stato di 2 miliardi di dollari. IBM ha chiuso il trimestre con 17.6 miliardi di dollari di liquidità, liquidità vincolata e titoli negoziabili.

La solida posizione di liquidità e il solido flusso di cassa libero hanno permesso all'azienda di restituire agli azionisti 1.5 miliardi di dollari in dividendi. Ha inoltre investito 7.1 miliardi di dollari in acquisizioni, tra cui l'acquisto di HashiCorp. Secondo Krishna:

"Restiamo ottimisti sulle opportunità di crescita a lungo termine per la tecnologia e l'economia globale." 

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di International Business Machines Corporation (IBM)

Conclusione: prossimi passi verso la realtà quantistica

Da scienziati ad aziende e governi, tutti sono attivamente e profondamente coinvolti nel rendere i computer quantistici una realtà. Le ultime scoperte del team di Oxford e dei giganti della tecnologia stanno migliorando drasticamente la fedeltà dei qubit e rendendo la correzione degli errori più efficiente, il che significa che il prossimo salto quantistico potrebbe non essere più lontano di decenni, rendendo inevitabili le macchine quantistiche pratiche!

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Studi citati:

^{1. Google Quantum AI e collaboratori. Correzione degli errori quantistici al di sotto della soglia del codice di superficie. Nature 2025, 638 (8016), 920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bal, M.; Crisa, F.; Murthy, AA; et al. SQMS Nanofabrication Taskforce: verso la fabbricazione di qubit superconduttori ad alta coerenza. Convegno, 20 settembre 2024. https://doi.org/10.2172/2462792
3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Porte a singolo qubit con errori al livello 10⁻⁷. Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 230601. https://doi.org/10.1103/42w2-6ccy
4. Harty, T. P.; Allcock, D. T. C.; Ballance, C. J.; et al. Preparazione ad alta fedeltà, gate, memoria e lettura di un bit quantistico a ioni intrappolati. Fis. Rev. Lett. 2014 113 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501}