Cos’è un chip quantistico e come funziona?

Negli ultimi anni, il campo del calcolo quantistico ha registrato una rapida crescita, con progressi tecnologici e investimenti su larga scala che fanno regolarmente notizia.

Le Nazioni Unite hanno designato il 2025 come l’Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica.

Le poste in gioco sono alte: avere computer quantistici significherebbe disporre di un’enorme potenza di elaborazione dati rispetto a quella attuale. Non sostituiranno i computer normali, ma questo tipo di potenza di calcolo potrebbe portare a progressi in medicina, chimica, scienza dei materiali e altri campi.

Non sorprende, quindi, che il calcolo quantistico stia rapidamente diventando una corsa globale, con l’industria privata e i governi di tutto il mondo impegnati a costruire il primo computer quantistico su larga scala. Per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo prima sviluppare processori quantistici stabili e scalabili, noti anche come chip quantistici.

Cos’è un chip quantistico?

I computer di tutti i giorni – come il tuo laptop – sono computer classici. Memorizzano ed elaborano informazioni sotto forma di numeri binari o bit. Un singolo bit può rappresentare solo 0 o 1.

Al contrario, l’unità base di un chip quantistico è il qubit. Un chip quantistico è composto da molti qubit. Questi sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni, controllate e manipolate da campi elettrici e magnetici appositamente progettati (noti come segnali di controllo).

A differenza di un bit, un qubit può trovarsi in uno stato 0, 1 o in una combinazione di entrambi, nota come “stato di sovrapposizione“. Questa proprietà unica consente ai processori quantistici di memorizzare ed elaborare enormi set di dati esponenzialmente più velocemente rispetto anche al più potente computer classico.

Esistono diversi modi per creare qubit: si possono utilizzare dispositivi superconduttori, semiconduttori, fotonica (luce) o altri approcci. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi.

Aziende come IBM, Google e QueRa hanno road map per aumentare drasticamente la scala dei processori quantistici entro il 2030.

Tra i principali attori dell’industria che utilizzano semiconduttori ci sono Intel e aziende australiane come Diraq e SQC. I principali sviluppatori di computer quantistici fotonici includono PsiQuantum e Xanadu.

Qubit: qualità contro quantità

Il numero di qubit di un chip quantistico è in realtà meno importante della qualità dei qubit.

Un chip quantistico composto da migliaia di qubit di bassa qualità non sarà in grado di svolgere alcun compito computazionale utile.

Ma cosa rende un qubit di qualità?

I qubit sono molto sensibili a disturbi indesiderati, noti come errori o rumore. Questo rumore può derivare da molte fonti, inclusi difetti nel processo di produzione, problemi nei segnali di controllo, variazioni di temperatura o persino semplici interazioni con l’ambiente del qubit.

Essere inclini agli errori riduce l’affidabilità di un qubit, nota come fedeltà. Affinché un chip quantistico rimanga stabile abbastanza a lungo da eseguire compiti computazionali complessi, ha bisogno di qubit ad alta fedeltà.

Quando i ricercatori confrontano le prestazioni di diversi chip quantistici, la fedeltà dei qubit è uno dei parametri cruciali che utilizzano.

Come si correggono gli errori?

Fortunatamente, non dobbiamo costruire qubit perfetti.

Negli ultimi 30 anni, i ricercatori hanno progettato tecniche teoriche che utilizzano molti qubit imperfetti o a bassa fedeltà per codificare un “qubit logico” astratto. Un qubit logico è protetto dagli errori e, quindi, ha una fedeltà molto alta. Un processore quantistico utile sarà basato su molti qubit logici.

Quasi tutti i principali sviluppatori di chip quantistici stanno ora mettendo in pratica queste teorie, spostando il loro obiettivo dai qubit ai qubit logici.

Nel 2024, molti ricercatori e aziende nel campo del calcolo quantistico, tra cui Google, 
QueRa, IBM e CSIRO, hanno fatto grandi progressi nella correzione degli errori quantistici.

Sono già disponibili chip quantistici composti da oltre 100 qubit. Questi vengono utilizzati da molti ricercatori in tutto il mondo per valutare la qualità della generazione attuale di computer quantistici e per capire come migliorarli nelle generazioni future.

Per ora, gli sviluppatori sono riusciti a creare solo singoli qubit logici. Probabilmente ci vorranno alcuni anni per capire come mettere insieme più qubit logici in un chip quantistico che possa funzionare in modo coerente e risolvere problemi complessi del mondo reale.

A cosa serviranno i computer quantistici?

Un processore quantistico pienamente funzionale potrebbe risolvere problemi estremamente complessi. Questo potrebbe portare a impatti rivoluzionari in molti ambiti della ricerca, della tecnologia e dell’economia.

I computer quantistici potrebbero aiutarci a scoprire nuovi farmaci e avanzare nella ricerca medica trovando nuove connessioni nei dati delle sperimentazioni cliniche o della genetica che i computer attuali non hanno abbastanza potenza di calcolo per individuare.

Potrebbero anche migliorare notevolmente la sicurezza di vari sistemi che utilizzano algoritmi di intelligenza artificiale, come quelli bancari, militari e per veicoli autonomi, solo per citarne alcuni.

Per ottenere tutto ciò, dobbiamo prima raggiungere un traguardo noto come supremazia quantistica – ovvero il momento in cui un processore quantistico risolve un problema che richiederebbe a un computer classico un tempo impraticabile.

Alla fine dello scorso anno, il chip quantistico Willow di Google ha finalmente dimostrato la supremazia quantistica per un compito artificiale – un problema computazionale progettato per essere difficile per i supercomputer classici ma facile per i processori quantistici grazie al loro modo di funzionare distintivo.

Sebbene non abbia risolto un problema utile del mondo reale, è comunque un risultato straordinario e un importante passo nella giusta direzione che ha richiesto anni di ricerca e sviluppo. Dopotutto, per correre, bisogna prima imparare a camminare.

Cosa ci riserva il futuro per il 2025 e oltre?

Nei prossimi anni, i chip quantistici continueranno a scalare. È importante notare che la prossima generazione di processori quantistici sarà basata su qubit logici, in grado di affrontare compiti sempre più utili.

Mentre l’hardware quantistico (cioè i processori) ha fatto progressi a un ritmo rapido, non possiamo trascurare l’enorme quantità di ricerca e sviluppo nel campo del software e degli algoritmi quantistici.

Grazie a simulazioni quantistiche su computer normali, i ricercatori hanno sviluppato e testato vari algoritmi quantistici. Questo renderà il calcolo quantistico pronto per applicazioni utili quando l’hardware quantistico sarà all’altezza.

Costruire un computer quantistico su larga scala è un compito arduo. Richiederà progressi simultanei su molti fronti, come l’aumento del numero di qubit su un chip, il miglioramento della fedeltà dei qubit, una migliore correzione degli errori, il software quantistico, gli algoritmi quantistici e molti altri sotto-campi del calcolo quantistico.

Dopo anni di notevole lavoro di base, possiamo aspettarci che il 2025 porti nuove scoperte in tutti questi ambiti.