Informatica
Computer quantistici su larga scala con qubit a singolo atomo
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Qubit a singolo atomo: una nuova era per il calcolo quantistico
I computer quantistici sono macchine straordinariamente complesse, che sfruttano minuscole variazioni nel comportamento dei singoli atomi per i calcoli. In quanto tali, sfruttano e rivelano nuove intuizioni sulla natura stessa dell'universo a livello atomico e di singola particella.
Tali intuizioni saranno probabilmente necessarie per costruire computer quantistici su larga scala, poiché più il sistema è complesso, più è difficile costruirne uno sufficientemente grande per usi pratici.
I ricercatori dell'Università di Sydney, in Australia, sono recentemente riusciti a codificare più dati di calcolo quantistico in un singolo atomo, rivoluzionando potenzialmente le dimensioni fisiche dei qubit del calcolo quantistico (l'equivalente quantistico dei bit dei computer "normali").
Hanno pubblicato i loro risultati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Physics1, sotto il titolo “Set di porte quantistiche universali per qubit logici Gottesman–Kitaev–Preskill".
Rendere Qubit affidabile
Attualmente, i qubit vengono prodotti tramite un metodo chiamato "ione intrappolato" oppure utilizzando materiali superconduttori ultra-freddi.
Fonte: Forbes
Entrambi i metodi hanno i loro limiti:
- Gli ioni intrappolati contengono solo una manciata di qubit, ma sono più affidabili e producono meno errori.
- I materiali superconduttori hanno più qubit e si prevede che saranno più facili da sviluppare su larga scala, ma sono più soggetti a errori.
In entrambi i casi, il tasso di errore influisce sul rapporto tra qubit fisici e logici, ovvero sulla quantità di qubit fisici necessari per creare un qubit funzionale dal punto di vista informatico.
Con l'aumentare del numero di qubit utili (o logici), aumenta ulteriormente il numero di qubit fisici necessari. Con l'aumentare della scala, il numero stesso di qubit necessari per creare una macchina quantistica utile diventa un incubo ingegneristico.
Quindi, rendere i computer quantistici più resistenti agli errori è forse il compito più importante dei ricercatori in questo campo al momento, poiché eliminerebbe il principale ostacolo alla costruzione di utili computer quantistici su larga scala.
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| Tipo di qubit | Scalabilità | Tasso di errore | La temperatura |
|---|---|---|---|
| Ione intrappolato | Basso (pochi qubit) | Basso | Temperatura ambiente |
| Superconduttore | Alto | Alto | Vicino allo zero assoluto |
| Singolo atomo (Sydney) | Potenzialmente alto | Correggibile con GKP | Temperatura ambiente |
Ridurre le dimensioni dei qubit
I ricercatori australiani hanno utilizzato un sistema di calcolo quantistico a ioni intrappolati (con un atomo di itterbio carico) e una forma di codifica dei dati chiamata codice Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP).
GKP è un tipo di codice che dovrebbe aiutare a correggere gli errori nei computer quantistici. Ma finora crearne uno nella pratica è stato difficile.
La chiave è creare una “porta logica”, un interruttore di informazioni che consenta ai computer, sia quantistici che classici, di essere programmabili.
Utilizzando un software di controllo quantistico sviluppato da Q-CTRL, una start-up spin-off del Quantum Control Laboratory, i ricercatori hanno codificato i dati in un singolo atomo, in 3D.
In sostanza, due serie di dati vengono memorizzate come la vibrazione di un singolo atomo, una serie come la vibrazione da "sinistra a destra" e una come la vibrazione da "su e giù".
“In pratica, memorizziamo due qubit logici correggibili in un singolo ione intrappolato e dimostriamo l'entanglement tra di essi.
Vassili Matsos – Dottorando presso la Facoltà di Fisica e Sydney Nano
Costruire una porta logica a singolo atomo
Per realizzare questa impresa di fisica quantistica, hanno utilizzato una complessa serie di laser a temperatura ambiente per trattenere il singolo atomo nella trappola, consentendo di controllare le sue vibrazioni naturali e di utilizzarle per produrre i complessi codici GKP.
Fonte: Fisica della natura
La parte relativa alla "temperatura ambiente" è molto importante, poiché rende il tutto intrinsecamente più facile ed economico da realizzare rispetto ai computer quantistici superconduttivi che richiedono temperature prossime allo zero assoluto ed elio liquido.
“I nostri esperimenti hanno mostrato la prima realizzazione di un set di porte logiche universali per i qubit GKP.
Ci siamo riusciti controllando con precisione le vibrazioni naturali, o oscillazioni armoniche, di uno ione intrappolato, in modo tale da poter manipolare i singoli qubit GKP o intrecciarli come una coppia."
Dott. Tingrei Tan - Nano Institute dell'Università di Sydney
Verso computer quantistici scalabili
È la combinazione di controlli della temperatura ambiente, una porta logica a singolo atomo e un codice di riduzione degli errori a rendere questa scoperta così importante.
Nel complesso, tutto ciò apre la strada a un nuovo tipo di computer quantistico a ioni intrappolati che potrebbe essere molto più semplice da costruire e molto più facile da ampliare.
"I nostri esperimenti hanno raggiunto un traguardo fondamentale, dimostrando che questi controlli quantistici di alta qualità forniscono uno strumento fondamentale per manipolare più di un singolo qubit logico.
Dimostrando l'esistenza di porte quantistiche universali utilizzando questi qubit, abbiamo le basi per lavorare all'elaborazione di informazioni quantistiche su larga scala in modo altamente efficiente in termini di hardware".
Dott. Tingrei Tan - Nano Institute dell'Università di Sydney
Parallelamente, sono state recentemente fatte diverse nuove scoperte che mostrano il potenziale dell'interfacciamento tra computer quantistici. Quindi, se ognuno di essi diventa più potente e le reti quantistiche si avvicinano sempre di più alla realtà, questo potrebbe contribuire a creare un'esplosione nella capacità di qubit utilizzabile.
I computer quantistici svelano una nuova fisica
È probabile che i computer quantistici su larga scala rivoluzioneranno la crittografia e la ricerca scientifica, grazie alla loro enorme capacità di risolvere problemi complessi, troppo difficili da risolvere con i computer binari.
Ma potrebbe anche indirettamente aprire ai fisici un modo completamente nuovo di studiare il regno quantistico.
È quanto emerge dalle analisi effettuate sui computer quantistici di Google dai ricercatori della Princeton University, della Cornell University, della Purdue University, della University of Nottingham (Regno Unito), della Technical University of Munich (Germania) e di Google Research, secondo una nuova pubblicazione su Nature.2, intitolato "Visualizzazione della dinamica di cariche e stringhe nelle teorie di gauge reticolari (2 + 1)D".
Misurazione della teoria della misura
Il computer quantistico di Google consente ai ricercatori di sperimentare e testare la cosiddetta "teoria di gauge a reticolo" (LGT), un tipo di teoria quantistica dei campi che postula l'esistenza di campi di gauge (campi che mediano le forze, come il campo elettromagnetico) e bosoni di gauge (le particelle elementari che trasportano queste forze).
Fonte: Nature
Il team ha dimostrato come le particelle e le "stringhe" invisibili che le collegano si comportano, fluttuano e persino si rompono.
Fonte: Nature
In quello studio i ricercatori hanno confermato che queste “stringhe” potevano essere misurate e osservate nei computer quantistici.
“Sfruttando la potenza del processore quantistico, abbiamo studiato la dinamica di uno specifico tipo di teoria di gauge e osservato come le particelle e le 'stringhe' invisibili che le collegano evolvono nel tempo.”
Creando situazioni estremamente controllate in cui osservare gli effetti quantistici, senza richiedere gli elevatissimi livelli energetici degli acceleratori di particelle, diventa chiaro che i computer quantistici potrebbero diventare strumenti chiave della ricerca in fisica fondamentale.
"Il nostro lavoro dimostra come i computer quantistici possano aiutarci a esplorare le regole fondamentali che governano il nostro universo.
Simulando queste interazioni in laboratorio, possiamo testare le teorie in modi nuovi."
Il futuro dei computer quantistici scalabili
Il potenziale dei computer quantistici deve ancora essere pienamente compreso, poiché vengono costantemente reinventati a partire dai loro principi fondamentali, non diversamente da come i primi computer passarono dalle schede perforate ai tubi a vuoto e poi ai transistor al silicio. Solo che il ritmo del cambiamento è molto più rapido.
Ciò implica che molto presto potremmo assistere a grandi progressi nella produzione di computer quantistici più grandi e potenti, che potrebbero anche essere collegati in rete per ottenere capacità ancora maggiori.
Ciò potrebbe aprire la strada non solo a capacità di calcolo molto più elevate, ma anche a una comprensione completamente nuova della materia e della fisica quantistica, con, ad esempio, uno stato della materia completamente nuovo come lo “stato topologico” recentemente dimostrato dai team di calcolo quantistico di Microsoft (chip Majorana-1).
Investire nel calcolo quantistico
Honeywell / Quantinuum
(HON )
Sebbene il computer quantistico di Google potrebbe rivelare nuove intuizioni sulla teoria della fisica quantistica, la scoperta di un potenziale qubit a 1 atomo che utilizza la tecnologia degli ioni intrappolati sembra rendere questo metodo molto più vicino alla fattibilità commerciale rispetto ai computer quantistici superconduttori.
Quantinuum è il risultato della fusione di Honeywell Quantum Solutions e Cambridge Quantum.
Honeywell rimane l'azionista di maggioranza della società (probabilmente il 52% della proprietà) dopo un round di raccolta fondi che lo ha valutato a 5 miliardi di dollariSi dice che il fondatore Ilyas Khan possieda circa il 20% della società. Tra gli altri azionisti figurano JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM e JP Morgan.
Una potenziale IPO di Quantinuum in futuro, potenzialmente come parte di una più ampia ristrutturazione aziendale, si stima che valga fino a 20 miliardi di dollari and potrebbe verificarsi tra il 2026 e il 2027.
L'informatica quantistica non è il fulcro dell'attività di Honeywell, che è più incentrata su prodotti nei settori aerospaziale, dell'automazione e dei materiali e prodotti chimici speciali.
Ciascuno di questi domini potrebbe, tuttavia, trarre vantaggio dal calcolo quantistico, in particolare chimica computazionale e la sicurezza informatica quantistica, che potrebbero dare a Honeywell un vantaggio rispetto ai suoi concorrenti.
Per ora, il modello principale dell'azienda è l'H2, un chip a 56 qubit con ioni intrappolati, con una fedeltà del gate a due qubit del 99.895%.
L'azienda ha perseguito un calcolo di alta qualità con errori minimi, aggiungendo quanti più qubit possibili e creando il cosiddetto "calcolo quantistico fault-tolerant".
Questo approccio è definito dall'azienda "Migliori qubit, migliori risultati", con una quantità simile di qubit che consente di ottenere risultati da 100 a 1,000 volte più affidabili.
Fonte: Quantino
Ciò potrebbe fare una differenza notevole nella crittografia resistente ai quanti, di cui c'è urgente bisogno, con la società di difesa Thales (HO.PA -0.96%) collaborando già con Quantinuum così come le banche internazionali HSBC and JP Morgan.
Quantinuum offre anche la sua chimica computazionale quantistica proprietaria InQuanto, utilizzabile per applicazioni farmaceutiche, nelle scienze dei materiali, chimiche, energetiche e aerospaziali.
Come molte altre aziende di informatica quantistica, Quantinuum offre Helios, un “hardware-as-a-service”, consentendo agli utenti di trarre vantaggio dall'informatica quantistica senza dover affrontare personalmente la complessità del funzionamento del sistema.
Quantinuum ha firmato a novembre 2024 una partnership con la tedesca Infineon, il più grande produttore di semiconduttori in Europa. Infineon porterà la sua tecnologia integrata di fotonica e di elettronica di controllo per contribuire a creare la prossima generazione di computer quantistici a ioni intrappolati.
Con l'avvicinarsi della fotonica integrata a casi d'uso pratici, è ormai chiaro quanto questa partnership possa essere importante per il futuro di Quantinuum. A questo punto, sembra che il prossimo passo per l'azienda sarà il lancio del primo chip fotonico-quantistico al mondo incentrato sull'intelligenza artificiale.
Nei prossimi mesi, Quantinuum condividerà i risultati delle collaborazioni in corso, evidenziando il potenziale rivoluzionario dei progressi quantistici nell'ambito dell'intelligenza artificiale generativa.
L'innovativa capacità Gen QAI migliorerà e accelererà l'uso di Metallic Organic Frameworks per la somministrazione di farmaci, aprendo la strada a opzioni di trattamento più efficienti e personalizzate. I dettagli saranno svelati al lancio di Helios.
Un maggior numero di casi d'uso continuativi potrebbe incrementare notevolmente il valore futuro dell'azienda e, di conseguenza, lo stack di Honeywell al suo interno, nonché i potenziali profitti che gli investitori potrebbero ricavarne.
(Puoi leggere di più su il resto delle attività industriali di Honeywell nell'automazione, nell'aerospaziale e nei materiali avanzati nel rapporto dedicato all'azienda).
Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Honeywell (HON)
Studi referenziati
1. Matsos, VG, Valahu, CH, Millican, MJ et al. Insieme di porte quantistiche universali per qubit logici Gottesman–Kitaev–Preskill. Nature. Physics. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, TA, Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizzazione della dinamica di cariche e stringhe nelle teorie di gauge reticolari (2 + 1)D. Natura 642, 315-320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
