Dimostrazione della chirurgia a reticolo per avanzare l’elaborazione quantistica a tolleranza di guasti

Un team di scienziati, guidato da ricercatori dell’ETH Zurich, ha recentemente dimostrato un metodo per intrecciare bit quantistici attraverso la chirurgia a reticolo. Il processo consente agli ingegneri di creare computer quantistici più potenti, ampliando le già impressionanti capacità di questi dispositivi e aprendo la porta all’adozione futura. Ecco cosa è necessario sapere.

Cosa rende i computer quantistici fondamentalmente diversi

I computer quantistici sono considerati da molti come 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.

I computer quantistici si sono dimostrati molto più potenti dei computer tradizionali. Superano i dispositivi tradizionali perché si basano su qubit, sovrapposizione, intreccio 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 che con i bit tradizionali, che possono essere duplicati e memorizzati. Quando vengono recuperati, le copie possono essere confrontate per assicurarsi che i dati non siano stati corrotti.

La correzione degli errori quantistici è molto più complicata per diverse ragioni. In primo luogo, i qubit quantistici non possono essere copiati nello stesso modo dei bit tradizionali. Invece, si basano su stati intrecciati creati tra qubit. Questo stato fragile può essere distrutto facilmente.

Flip di bit e flip di fase

Inoltre, i computer quantistici devono affrontare la decoerenza e gli spostamenti di fase. I computer quantistici sono unici nel fatto che i qubit possono improvvisamente e senza preavviso spostare la loro 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

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

Questo processo richiede ai ricercatori di misurare costantemente lo stato di stabilizzatori appositamente progettati. Questi stabilizzatori consentono agli ingegneri di monitorare eventuali modifiche del qubit senza alterarne il valore. Ciò viene realizzato fornendo letture di bit e fase tracciabili.

Questo processo crea qubit di dati. Questi qubit servono allo scopo di memorizzare lo stato di correzione. Sorgono problemi 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 con qubit adiacenti, il che significa che sono ideali solo per applicazioni di qubit bidimensionali e sono molto limitati nella loro applicazione.

Studio sulla chirurgia a reticolo sui bit quantistici

Cercando di migliorare le capacità di calcolo quantistico, scienziati dell’ETH Zurich e dell’Istituto Paul Scherrer hanno pubblicato lo studio “Chirurgia a reticolo realizzata su due codici di ripetizione a distanza tre con qubit superconduttori¹” su Nature Physics.

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

Cosa 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 bidimensionali insieme a operazioni a tolleranza di guasti.

Attraverso l’utilizzo della chirurgia a reticolo, gli ingegneri sono stati in grado di applicare porte logiche tra qubit codificati anche quando non si trovavano l’uno accanto all’altro. Questa strategia evita il contatto diretto tra qubit, riducendo gli errori dovuti alla decoerenza.

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

Come è stato condotto l’esperimento di chirurgia a reticolo

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

Dopo aver intrecciato due qubit, gli ingegneri si sono concentrati sulle operazioni di divisione. Per farlo, hanno codificato i qubit logici con ripetizioni di flip di bit. Hanno quindi monitorato i risultati degli stabilizzatori ogni 1,66 microsecondi mentre eseguivano correzioni di flip di bit e di fase.

Il metodo divide il quadrato del codice di superficie a metà, rendendolo più facile da tracciare e testare. È interessante notare che i risultati del test hanno dimostrato che le loro teorie erano corrette.

Risultati del test della chirurgia a reticolo sui bit quantistici

Gli ingegneri hanno notato che gli errori di flip 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 intrecciati l’uno con l’altro.

Vantaggi della chirurgia a reticolo sui bit quantistici

Ci sono molti vantaggi 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 fornire prestazioni e stabilità maggiori.

Applicazioni e timeline della chirurgia a reticolo sui bit quantistici

Ci sono diverse applicazioni per questo lavoro. In primo luogo, questa ricerca aiuterà a espandere e migliorare il nascente settore dei computer quantistici. Fornisce un nuovo livello di stabilità a questi dispositivi, consentendo agli ingegneri di creare unità più potenti che si basano su molti più qubit per guidare le operazioni.

Timeline della chirurgia a reticolo sui bit quantistici

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, è possibile aspettarsi di vedere questa tecnologia applicata al settore nei prossimi 7-10 anni, insieme a una maggiore adozione di computer quantistici.

Ricercatori della chirurgia a reticolo sui bit quantistici

Ricercatori di diverse istituzioni prominenti hanno partecipato a questo studio. In particolare, il professor Andreas Wallraff del D-PHYS ha guidato l’articolo di ricerca, mentre il professor Markus Müller dell’Università RWTH Aachen e del Forschungszentrum Jülich ha co-scritto il lavoro.

L’articolo 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 contributori.

Futuro della chirurgia a reticolo sui bit quantistici

Il futuro di questa tecnologia è luminoso. L’obiettivo è integrarla con altre recenti scoperte per aiutare gli ingegneri a raggiungere il loro obiettivo generale di costruire computer quantistici utili che si basino su migliaia di qubit invece di dozzine.

Investire nell’innovazione quantistica

Il settore dei computer quantistici è dominato da diverse società di ricerca che hanno investito milioni in questa tecnologia. Questi gruppi continuano a esplorare questa tecnologia con uno spirito innovativo, aiutando a scoprire approcci precedentemente considerati impossibili. Ecco una società che ha aiutato a favorire sviluppi e adozioni futuri.

Rigetti Computing

Rigetti Computing è stata fondata nel 2013 da Chad Rigetti con l’obiettivo specifico di costruire i computer quantistici più potenti del mondo utilizzando la tecnologia dei qubit superconduttori. A differenza di IonQ, che utilizza ioni intrappolati, l’attenzione di Rigetti sui circuiti superconduttori si allinea più da vicino alla ricerca dell’ETH Zurich sulla chirurgia a reticolo sui qubit logici superconduttori.

Nel 2018, Rigetti ha dimostrato un chip da 128 qubit e da allora ha fatto da pioniere nello sviluppo del “Full-Stack” del calcolo quantistico. Ciò include la struttura Fab-1, il primo fonditore quantistico dedicato al mondo, dove progettano e producono i propri processori quantistici.

Rigetti ha fatto notevoli progressi nel calcolo quantistico ibrido-classico. La sua piattaforma Quantum Cloud Services (QCS) integra i 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 attraverso una fusione con Supernova Partners Acquisition Company II, quotandosi al NASDAQ.

Oggi, Rigetti sta attivamente sviluppando i suoi sistemi di classe Ankaa, che utilizzano una griglia quadrata di accoppiatori regolabili. Questa architettura è progettata specificamente per supportare le operazioni a tolleranza di guasti di cui si è parlato nello studio più recente dell’ETH Zurich.

Notizie e prestazioni più recenti di Rigetti Computing (RGTI)

Chirurgia a reticolo sui bit quantistici | Conclusione

I computer quantistici promettono una potenza di calcolo senza precedenti, ma la loro fragilità li ha resi troppo costosi per la maggior parte delle persone per poterli utilizzare o possedere. Questo lavoro più recente aiuterà a stabilizzare questi dispositivi, portando il mondo un passo più vicino a un’opzione affidabile e accessibile. Per questo e altri motivi, questi ingegneri meritano un’ovazione in piedi.

Scopri altre scoperte sui 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). Chirurgia a reticolo realizzata su due codici di ripetizione a distanza tre con qubit superconduttori. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}