Computer quantistici. Il principio di sovrapposizione degli stati quantistici e l’entanglement. I “quantum chips”

NOVITA’ SU COMPUTER QUANTISTICI

— di Alberto Costa —

Faccio riferimento a un precedente intervento al Gruppo Innovazione del 23 settembre 2020 sui Computer Quantistici (QC) e a un articolo apparso sulla rivista in ottobre 2020 con l’intenzione di fornire informazioni sulla situazione attuale, cioè sulla evoluzione dello stato dell’arte di questo strumento potenzialmente rivoluzionario.

I concetti fondamentali esposti nell’articolo sono validi ancora oggi. I protagonisti di questa innovazione, che mira ad essere epocale, sono il principio di sovrapposizione degli stati quantistici e l’entanglement.

La sperimentazione prosegue in Aziende e Organismi di grande importanza: cito solo ad esempio FERMILAB (sotto la direzione della nostra Anna Grassellino), RIGETTI Computing, MICROSOFT, GOOGLE, IBM, D-Wave, XANADU, AMAZON, HONEYWELL…per non parlare della Cina. Alcuni collaborano fra loro, ad esempio FERMILAB, RIGETTI e IBM.

Quale quantum advantage

Potremmo esaminare più in dettaglio come funzionano i prototipi delle varie Aziende, quali traguardi hanno conseguito, quale quantum advantage, quanti qubit (o qudit se hanno più di due stati sovrapposti) ad alta coerenza sono riuscite a utilizzare e quale tempo di coerenza hanno raggiunto (il tempo di coerenza è la durata in cui un qubit può effettivamente immagazzinare e processare l’informazione, “the lifetime of superconducting quantum states”): all’inizio si parlava di 5 qubit, 50 qubit, 1127 qubit (IBM 2022), 5000 qubit (D-Wave). Ora si parla di 100000 qubit (IBM), un milione di qubit (Microsoft e Psi Quantum) e ci arriveremo, forse anche in tempi vicini (anni e non decenni secondo alcune previsioni).

Potremmo parlare di come è costruito il processore e a quale temperatura funziona; come stanno risolvendo i problemi di rumore, cioè i problemi dovuti a processi fisici che causano incoerenza; come controllano che il risultato dei calcoli sia affidabile eliminando gli errori a livello hardware.

Centrali sono i materiali superconduttori, le cavità a SRF (superconducting radiofrequency) e i sistemi di raffreddamento.

I “quantum chips”

Recentemente sia Google che Amazon hanno annunciati i loro “quantum chips”.

Microsoft Quantum, con la piattaforma Azure, afferma di aver ottenuto con il quantum chip Majorana 1 (Majorana fermions sono contemporaneamente particelle e proprie antiparticelle) il primo quantum chip con Core topologico e la possibilità di risolvere problemi a scala industriale nei prossimi anni. A febbraio (19 febbraio 2025) sostiene di aver ottenuto un nuovo stato della materia, uno stato topologico, “to help make quantum computers more powerful”, di aver ottenuto il primo topoconductor, un chip che può contenere fino a 1 milione di qubit aprendo la strada a un quantum supercomputer. Ma alcuni fisici che hanno fatto la review del lavoro dicono che non sono convinti.

D-Wave afferma (12 marzo 2025) di aver ottenuto la Quantum Supremacy, cioè di aver ottenuto risultati non ottenibili con i computer classici, ma un certo numero di accademici non sono d’accordo. Almeno dal 2019 infatti, quando Google disse di aver raggiunto la meta, esiste una guerra fra le varie Aziende per raggiungere la supremazia.

La comunità scientifica quantistica ha recentemente sostituito il termine “quantum supremacy” con “quantum advantage” o “quantum utility,” che significa che il sistema quantistico può risolvere un utile lavoro o un problema scientifico più velocemente, più accuratamente e più economicamente di quanto possano i computer tradizionali.

Dirigenti Industria

Ma vorrei scendere a cose più pratiche e anche vicine a noi come Dirigenti Industria.

XANADU è una Società canadese all’avanguardia del settore, anche se non un colosso come altre. Essa mira a utilizzare i fotoni come trasportatori di qubit. I fotoni sono bosoni, cioè seguono la statistica di Bose, è meno difficile ottenere il loro entanglement rispetto ad altre particelle e possono anche essere polarizzati. Convogliando i fotoni lungo opportuni percorsi e verso “logical gates” (cancelli logici) si può ottenere un trasporto di informazioni.

L’interessante possibilità di questo approccio è di costruire un QC che funzioni a temperatura prossima alla temperatura ambiente anziché prossima allo zero assoluto.

Quello che mi ha sorpreso seguendo gli sviluppi di Xanadu è che nell’aprile 2022 ha ottenuto una partnership da BMW Group: per collaborare ad esplorare come il quantum computing possa migliorare la qualità, la sicurezza e la performance delle soluzioni automobilistiche della “BMW next-generation”.

Nel novembre 2022 Xanadu ha ottenuto un contratto di collaborazione con il Gruppo Volkwagen.

Nel novembre 2024 Xanadu e Toyota collaborano per promuovere applicazioni di quantum computing nella simulazione di materiali. L’attività però si precisa meglio: con lo scopo di sviluppare sensori quantistici avanzati (presumo per la guida autonoma dei veicoli).

A Milano i glass chips mirano a un minor consumo di energia

Ho trovato sul WSJ del 26 nov. 2024 un’altra notizia che mi ha colpito e che ci può interessare praticamente: a Milano sono sperimentati e costruiti dei glass chips con la speranza di un futuro più pulito per i QC, richiedono infatti un minor consumo di energia. La NATO ha investito un milione di $ nella startup italiana EPHOS, fondata dal fisico teorico Andrea Rocchetto.

Sono “Photonic quantum chips”, cioè usano fotoni e operano a temperature “normali”, più o meno a temperatura ambiente.

Un filone software da sviluppare

Oltre a questo filone hardware che può avere sviluppo anche in Europa, esiste un filone software da sviluppare.

Per caricare i dati e ricavare i risultati da un QC si utilizza un computer tradizionale con opportuni programmi di inserimento e uscita, in generale scritti in Pytoon e opportune piattaforme (PennyLane per Xanadu). Sono già a disposizione da parte di IBM ecc. QC per effettuare prove di software e di calcolo per Università, Istituti Scientifici, ecc.

In Germania (a Monaco di Baviera mi sembra) esistono già società di software dedicate allo sviluppo di questi programmi speciali. Non vedo perché non possano svilupparsi anche in Italia.

Da ultimo vorrei citare che il Politecnico di Milano nell’ambito di POLIMI-School of Management – Osservatori ha istituito un “Osservatorio Quantum Computing & Communication” che mette a disposizione dati anche economici sulla situazione mondiale, europea e italiana, disponibili pubblicamente.