La divisione di calcolo quantistico di Google ha riferito che il suo processore Willow ha raggiunto un traguardo computazionale che i supercomputer classici richiederebbero circa 10.000 anni per replicare, completando l’attività in meno di quattro minuti. Il risultato, pubblicato inNatura, rappresenta un progresso significativo rispetto alla dimostrazione della supremazia quantistica di Google del 2019 e, cosa ancora più importante, dimostra una proprietà che i ricercatori inseguono da due decenni: la correzione degli errori che migliora man mano che il sistema si ridimensiona.

L’annuncio ebbe il peso di un autentico significato scientifico. A differenza del risultato del 2019 – che è stato immediatamente contestato da IBM, che sosteneva che i loro supercomputer classici avrebbero potuto risolvere lo stesso problema in pochi giorni – il risultato di Willow è stato esaminato in modo indipendente e il margine di supremazia è più ampio di ordini di grandezza. Questa volta la risposta della comunità scientifica è stata notevolmente meno scettica.

Cosa è stato effettivamente risolto

Il problema specifico – una variante del campionamento circuitale casuale – non è direttamente utile di per sé. Si tratta di campionare la distribuzione di output di un circuito quantistico casuale, un compito computazionalmente difficile per i computer classici ma naturale per quelli quantistici. Il problema è stato scelto proprio perché è ben compreso dal punto di vista teorico e consente di verificare il risultato quantistico e di calcolare quanto tempo impiegherebbe un computer classico per replicarlo.

La cifra di 10.000 anni si riferisce all'algoritmo classico più conosciuto in esecuzione sul supercomputer più potente del mondo. Non si intende affermare che nessun algoritmo classico potrebbe mai risolvere il problema più velocemente: le affermazioni sulla supremazia quantistica sono sempre relative ai metodi classici più conosciuti e gli algoritmi classici migliorano nel tempo. Ma il margine è abbastanza ampio che chiuderlo in modo classico richiederebbe una svolta di grandezza paragonabile al progresso quantistico stesso.

Ancora più significativo, Willow dimostra una proprietà chiave che è sfuggita ai computer quantistici: la correzione degli errori che migliora man mano che il sistema scala. I precedenti processori quantistici sono diventati meno affidabili con l’aggiunta di più qubit: gli errori si accumulavano più velocemente di quanto potessero essere corretti. Willow mostra la tendenza opposta. Poiché Google ha aggiunto più qubit al codice di correzione degli errori, il tasso di errore logico è diminuito in modo esponenziale. Questo è il comportamento previsto dalla teoria della correzione degli errori quantistici, ma che nessun sistema fisico aveva precedentemente dimostrato in modo convincente.

Perché la correzione degli errori è la vera svolta

Per capire perché questo è importante, è utile comprendere la sfida fondamentale dell’informatica quantistica. I bit quantistici (qubit) sono straordinariamente sensibili ai disturbi ambientali: calore, interferenze elettromagnetiche e persino i raggi cosmici possono causare errori. I computer classici gestiscono gli errori attraverso la ridondanza e i codici di correzione degli errori, ma applicare lo stesso approccio ai computer quantistici è molto più difficile perché gli stati quantistici non possono essere copiati (teorema della non clonazione) e la misurazione di uno stato quantistico lo distrugge.

La correzione degli errori quantistici funziona codificando un singolo qubit logico su molti qubit fisici, in modo da consentire di rilevare e correggere gli errori senza misurare direttamente lo stato logico. La teoria è stata compresa fin dagli anni ’90, ma implementarla nella pratica richiede qubit fisici con tassi di errore inferiori a una soglia – e mantenere tale soglia man mano che il sistema si adatta si è rivelato estremamente difficile.

La dimostrazione di Willow che i tassi di errore diminuiscono man mano che il sistema scala è la prima prova convincente che un sistema quantistico fisico può operare al di sotto della soglia di correzione dell'errore su larga scala. Ciò non significa che l’informatica quantistica tollerante ai guasti sia imminente – i tassi di errore sono ancora troppo alti per la maggior parte delle applicazioni pratiche – ma dimostra che la strada verso la tolleranza ai guasti è aperta. La questione non è più se la correzione quantistica scalabile degli errori sia fisicamente possibile, ma quanto tempo ci vorrà per raggiungere i tassi di errore richiesti per un calcolo utile.

Implicazioni per la crittografia

La comunità della crittografia ha osservato da vicino i progressi dell’informatica quantistica, perché computer quantistici sufficientemente potenti potrebbero violare la crittografia RSA e quella a curva ellittica, le basi della maggior parte della sicurezza Internet. Il risultato di Willow ha riacceso quella conversazione, anche se la minaccia immediata è meno grave di quanto suggeriscano alcuni titoli.

"Non siamo ancora arrivati", afferma il dottor Michele Mosca dell'Istituto per l'informatica quantistica. "Ma il risultato di oggi è un chiaro segnale che la tempistica per l'informatica quantistica rilevante dal punto di vista crittografico deve essere presa sul serio. Le organizzazioni che non hanno iniziato la migrazione alla crittografia post-quantistica dovrebbero iniziare ora."

Violare RSA-2048, lo standard di crittografia più comune, richiederebbe un computer quantistico tollerante ai guasti con milioni di qubit logici. Willow ha 105 qubit fisici. Il divario è enorme. Ma la dimostrazione della correzione degli errori scalabile significa che il divario è ora una questione di ingegneria piuttosto che di fisica fondamentale. Gli standard di crittografia post-quantistica del NIST, finalizzati nel 2024, forniscono il percorso di migrazione che le organizzazioni devono seguire e il risultato di Willow è un argomento convincente a favore dell’urgenza.

I sistemi più vulnerabili sono quelli con una lunga durata dei dati. I dati crittografati intercettati oggi potrebbero essere archiviati e decrittografati in seguito, una volta che i computer quantistici saranno abbastanza potenti. Le agenzie di intelligence e gli stati-nazione avversari stanno quasi certamente facendo esattamente questo: una strategia nota come "raccogli ora, decritta dopo". Per i dati che devono rimanere riservati per 10 o più anni, la migrazione alla crittografia post-quantistica non è facoltativa.

Scoperta di farmaci e simulazione molecolare

L’applicazione più immediatamente promettente è la simulazione molecolare. I computer quantistici sono naturalmente adatti alla modellazione di sistemi quantomeccanici, compreso il comportamento delle molecole. Una simulazione molecolare accurata potrebbe accelerare notevolmente la scoperta di farmaci consentendo ai ricercatori di testare computazionalmente potenziali candidati farmacologici prima ancora di sintetizzare una singola molecola.

Gli attuali computer classici possono simulare accuratamente molecole fino a circa 50 atomi. Oltre a ciò, la complessità computazionale cresce in modo esponenziale e le approssimazioni diventano necessarie. Molte delle più importanti molecole biologiche – proteine, enzimi, bersagli farmacologici – sono molto più grandi di questo limite. Un computer quantistico tollerante ai guasti potrebbe simulare esattamente queste molecole, identificando potenzialmente farmaci candidati che i metodi classici non potrebbero cogliere del tutto.

La tempistica per questa applicazione è più lunga della minaccia crittografica. La simulazione molecolare richiede computer quantistici tolleranti ai guasti con migliaia di qubit logici, ancora lontani anni. Ma le aziende farmaceutiche tra cui Roche, Pfizer e Merck stanno già investendo nella ricerca sull’informatica quantistica, posizionandosi per sfruttare la tecnologia quando sarà matura.

Scienza dei materiali e applicazioni climatiche

Oltre alla scoperta di farmaci, la simulazione quantistica potrebbe trasformare la scienza dei materiali. Progettare catalizzatori migliori per i processi chimici industriali – compreso il processo Haber-Bosch che produce fertilizzanti, che rappresenta circa il 2% del consumo energetico globale – potrebbe avere un enorme impatto economico e ambientale. Progettare materiali migliori per le celle solari, una migliore chimica delle batterie e migliori superconduttori sono tutti problemi che la simulazione quantistica potrebbe accelerare.

Le implicazioni climatiche sono potenzialmente significative. Molte delle più importanti tecnologie di energia pulita – celle solari di prossima generazione, superconduttori a temperatura ambiente, migliori elettrolizzatori per la produzione di idrogeno verde – sono limitate dalla nostra incapacità di progettare materiali con esattamente le giuste proprietà quantomeccaniche. I computer quantistici potrebbero rimuovere questa limitazione.

Il panorama competitivo

Google non è il solo nella corsa per costruire utili computer quantistici. IBM ha una propria tabella di marcia, che punta a 100.000 qubit fisici entro il 2033. Microsoft sta perseguendo un approccio fondamentalmente diverso utilizzando qubit topologici, che teoricamente sono più resistenti agli errori. IonQ e Quantinuum stanno costruendo computer quantistici a ioni intrappolati, che hanno tassi di errore inferiori rispetto ai qubit superconduttori ma sono più difficili da scalare. Il programma cinese di calcolo quantistico, incentrato presso l’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, ha dimostrato i propri risultati di supremazia.

La diversità degli approcci riflette la reale incertezza su quale piattaforma fisica alla fine si rivelerà più pratica per l’informatica quantistica tollerante ai guasti. Ciascun approccio presenta diversi compromessi tra qualità del qubit, scalabilità e condizioni operative. Il campo è ancora abbastanza presto perché la piattaforma vincente non sia ovvia.

Cosa verrà dopo

La tabella di marcia di Google richiede un computer quantistico tollerante ai guasti, in grado di eseguire algoritmi pratici con tassi di errore sufficientemente bassi per applicazioni reali, entro la fine del decennio. Il mantenimento di tale sequenza temporale dipenderà dai continui progressi nella correzione degli errori, nella qualità dei qubit e nei sistemi di controllo classici che gestiscono i processori quantistici.

Il risultato di Willow è una vera pietra miliare, non un annuncio di marketing. Dimostra che la fisica fondamentale della correzione quantistica scalabile degli errori funziona come previsto dalla teoria. Le sfide ingegneristiche che rimangono sono formidabili, ma sono sfide ingegneristiche, del tipo che fruttano investimenti e sforzi sostenuti. L’era dell’informatica quantistica praticamente utile è più vicina di quanto lo fosse la scorsa settimana.

Fonti e ulteriori letture