Dimostrazione della Chirurgia a Reticolo Avanza il Calcolo Quantistico Tollerante ai Guasti

Un team di scienziati, guidato da ricercatori dell’ETH Zurigo, ha recentemente dimostrato un modo per intrecciare i qubit tramite chirurgia a reticolo. Il processo consente agli ingegneri di realizzare computer quantistici più potenti, ampliando le già impressionanti capacità di questi dispositivi e aprendo la porta a future adozioni. Ecco cosa c’è da sapere.

Cosa rende i computer quantistici fondamentalmente diversi

I computer quantistici sono considerati da molti il prossimo passo nell’evoluzione dei computer. Questi dispositivi possono fornire migliaia di volte più potenza di calcolo, rendendoli ideali per calcoli scientifici complessi e altro ancora.

I computer quantistici hanno dimostrato di essere molto più potenti dei computer tradizionali. Superano i dispositivi tradizionali perché si basano su qubit, sovrapposizione, entanglement e interferenza per elaborare le informazioni. Questa struttura consente l’elaborazione di milioni di calcoli in parallelo.

Perché la correzione degli errori quantistici è il collo di bottiglia principale

Tuttavia, quando si tratta di memorizzazione dei dati quantistici, è molto più difficile rispetto ai bit tradizionali, che possono essere duplicati e archiviati. Quando recuperati, i duplicati possono essere confrontati per garantire che i dati non siano corrotti.

La correzione degli errori quantistici è molto più complicata per diversi motivi. Per prima cosa, i qubit quantistici non possono essere copiati nello stesso modo dei bit tradizionali. Invece, si basano su stati entangled creati tra i qubit. Questo stato fragile può essere distrutto facilmente.

Inversioni di bit e inversioni di fase

Inoltre, i computer quantistici devono gestire la decoerenza e gli spostamenti di fase. I computer quantistici sono unici perché i qubit possono improvvisamente e senza preavviso cambiare fase da positiva a negativa. Questo problema ha reso più difficile la memorizzazione dei dati quantistici per lunghi periodi.

Come gli ingegneri risolvono questo problema

Esistono diversi modi in cui gli ingegneri hanno cercato di correggere questi spostamenti quantistici. Un metodo popolare è creare un qubit logico da vari altri qubit. Una volta creato, gli ingegneri applicano costantemente la correzione degli errori per garantire l’accuratezza.

Questo processo richiede agli scienziati di misurare costantemente lo stato di stabilizzatori appositamente costruiti. Questi stabilizzatori consentono agli ingegneri di monitorare eventuali cambiamenti nel qubit senza alterarne il valore. Raggiungono questo obiettivo fornendo letture tracciabili di bit e fase.

Questo processo crea qubit di dati. Questi qubit servono a memorizzare lo stato di correzione. I problemi sorgono perché la maggior parte dei computer quantistici si basa su array bidimensionali di qubit superconduttori.

Questi qubit rimangono bloccati nello spazio e non possono essere spostati senza danneggiare lo stato quantistico. Gli stabilizzatori aiutano a mantenere la stabilità. Tuttavia, possono funzionare solo su qubit adiacenti, il che significa che sono ideali solo per applicazioni a due dimensioni e sono molto limitati nella loro applicazione.

Studio sulla chirurgia a reticolo sui qubit

Cercando di migliorare le capacità del calcolo quantistico, scienziati dell’ETH Zurigo e del Paul Scherrer Institute hanno pubblicato lo studio “Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits¹” su Nature Physics.

Il documento introduce una nuova metodologia per l’entanglement quantistico e gli stabilizzatori. Il loro nuovo approccio consente ai computer quantistici di eseguire operazioni quantistiche tra qubit logici superconduttori mantenendo la correzione degli errori in tempo reale.

Cos’è la chirurgia a reticolo nel calcolo quantistico?

Al centro di questo nuovo sviluppo c’è la chirurgia a reticolo. La chirurgia a reticolo unisce codici topologici tra qubit logici. Questo approccio supporta disposizioni di qubit 2D insieme a operazioni di porte tolleranti ai guasti.

Attraverso l’uso della chirurgia a reticolo, gli ingegneri sono stati in grado di applicare porte logiche tra qubit codificati anche quando non erano collocati vicini tra loro. Questa strategia evita il contatto diretto dei qubit, riducendo gli errori dovuti alla decoerenza.

La chirurgia a reticolo si basa sull’uso di patch, che sono qubit con stabilizzatori applicati. Il processo unisce temporaneamente queste porte, consentendo controlli di parità e uno spazio di codice più ampio per l’elaborazione. In particolare, questo lavoro rappresenta una delle prime dimostrazioni sperimentali della chirurgia a reticolo eseguita tra qubit logici codificati usando hardware a codice di superficie superconduttore, mantenendo la correzione degli errori in tempo reale durante l’operazione.

Come è stato condotto l’esperimento di chirurgia a reticolo

Gli ingegneri hanno effettuato diversi test per garantire che i loro calcoli fossero corretti. Prima, il team ha creato un dispositivo quantistico. La porta logica era composta da 17 qubit superconduttori disposti in una forma quadrata approssimativa.

Dopo aver entangled due qubit, gli ingegneri si sono concentrati sulle operazioni di split. Per farlo, hanno codificato i qubit logici con ripetizioni di inversione di bit. Hanno poi monitorato i risultati degli stabilizzatori ogni 1,66 microsecondi eseguendo contemporaneamente correzioni di inversione di bit e di fase.

Il metodo divide il quadrato del codice di superficie in due metà, rendendo più facile il tracciamento e il test. I risultati dei test hanno dimostrato che le loro teorie erano corrette.

Chirurgia a reticolo sui qubit – Risultati del test

Gli ingegneri hanno osservato che gli errori di inversione di bit sono stati corretti in tempo reale. Hanno registrato un miglioramento rispetto ai circuiti non codificati sottoposti allo stesso processo, con il risultato che gli ingegneri hanno creato con successo due qubit logici entangled tra loro.

Benefici della chirurgia a reticolo sui qubit

Ci sono molti benefici che questo studio porta al mercato. In primo luogo, apre la porta a computer quantistici più potenti e precisi. La capacità di ridurre e codificare la tolleranza ai guasti e le correzioni in questi dispositivi consentirà alle future iterazioni di offrire più prestazioni e stabilità.

Chirurgia a reticolo sui qubit: applicazioni reali e cronologia

Ci sono diverse applicazioni per questo lavoro. Principalmente, questa ricerca aiuterà a espandere e migliorare il settore emergente dei computer quantistici. Fornisce un nuovo livello di stabilità a questi dispositivi, permettendo agli ingegneri di creare unità più potenti che si basano su un numero ancora maggiore di qubit per guidare le operazioni.

Cronologia della chirurgia a reticolo sui qubit

Secondo gli ingegneri, c’è ancora molto lavoro da fare prima che questa tecnologia sia pronta e applicata ai dispositivi quantistici avanzati di oggi. Tuttavia, ci si può aspettare di vedere questa tecnologia applicata al settore nei prossimi 7‑10 anni, insieme a una maggiore adozione dei computer quantistici.

Chirurgia a reticolo sui qubit: ricercatori

Ricercatori di diverse istituzioni di spicco hanno partecipato a questo studio. In particolare, il professor D‑PHYS Andreas Wallraff ha guidato il documento di ricerca, mentre il professor Markus Müller della RWTH Aachen University e del Forschungszentrum Jülich hanno co‑autori il lavoro.

Il documento elenca anche Ilya Besedin, Michael Kerschbaum, Jonathan Knoll, Ian Hesner, Lukas Bödeker, Luis Colmenarez, Luca Hofele, Nathan Lacroix, Christoph Hellings, François Swiadek, Alexander Flasby, Mohsen Bahrami Panah e Dante Colao Zanuz come collaboratori.

Futuro della chirurgia a reticolo sui qubit

Il futuro di questa tecnologia è luminoso. L’obiettivo è integrarla con altri recenti progressi per aiutare gli ingegneri a raggiungere il loro scopo globale di costruire computer quantistici utili che si basino su migliaia di qubit anziché decine.

Investire nell’innovazione quantistica

Il settore del calcolo quantistico è dominato da diverse aziende di ricerca che hanno investito milioni nella tecnologia. Questi gruppi continuano a esplorare la tecnologia con uno spirito innovativo, aiutando a scoprire approcci precedentemente ritenuti impossibili. Ecco una società che ha contribuito a favorire futuri sviluppi e adozioni.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) è stata fondata nel 2013 da Chad Rigetti con l’obiettivo specifico di costruire i computer quantistici più potenti al mondo usando la tecnologia dei qubit superconduttori. A differenza di IonQ, che utilizza ioni intrappolati, l’attenzione di Rigetti sui circuiti superconduttori è più strettamente allineata con la ricerca dell’ETH Zurigo sulla chirurgia a reticolo su qubit logici superconduttori.

Nel 2018, Rigetti ha dimostrato un chip da 128 qubit, e l’azienda ha da allora guidato lo sviluppo del calcolo quantistico “Full‑Stack”. Questo include lo stabilimento Fab‑1, il primo fonderia quantistica dedicata al mondo, dove progettano e fabbricano i propri processori quantistici.

Rigetti ha compiuto progressi significativi nel calcolo ibrido quantistico‑classico. La sua piattaforma Quantum Cloud Services (QCS) integra processori quantistici con un’infrastruttura classica ad alte prestazioni, una necessità per la correzione degli errori in tempo reale discussa nella ricerca attuale. Nel 2021, Rigetti è diventata pubblica tramite una fusione con Supernova Partners Acquisition Company II, quotandosi al NASDAQ.

Oggi, Rigetti sta sviluppando attivamente i suoi sistemi di classe Ankaa, che utilizzano una reticolazione quadrata di accoppiatori sintonizzabili. Questa architettura è specificamente progettata per supportare il tipo di operazioni tolleranti ai guasti e la codifica di qubit logici dimostrata nello studio più recente dell’ETH Zurigo.

Ultime notizie e performance di Rigetti Computing (RGTI)

Chirurgia a reticolo sui qubit | Conclusione

I computer quantistici promettono una potenza di calcolo senza pari, ma la loro fragilità li ha resi troppo costosi per la maggior parte delle persone. Questo ultimo lavoro aiuterà a stabilizzare questi dispositivi, avvicinando il mondo di un passo a un’opzione accessibile e affidabile. Per questo motivo e per altri, questi ingegneri meritano una standing ovation.

Scopri altri progressi nei computer quantistici qui.

Riferimenti

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}