Caltech aumenta i qubit a atomi neutri a 6.100 con le pinzette ottiche

Sono passati circa quattro decenni dallo sviluppo delle pinzette ottiche e continuano a rivoluzionare la fisica, la biologia e la medicina ancora oggi.

Le pinzette ottiche sono uno strumento straordinario che può raccogliere e spostare oggetti microscopici, come cellule, atomi, molecole e goccioline, senza toccarli. 

Questi strumenti usano laser focalizzati per manipolare gli oggetti. Utilizzando un fascio di luce altamente focalizzato, sono in grado di tenere stabili particelle microscopiche e sub‑microscopiche in tre dimensioni.

Il fascio è focalizzato da un microscopio di alta qualità in un punto, creando una “trappola ottica” che trattiene una particella. Questa particella sperimenta forze costituite da luce di scattering e forze di gradiente dovute alla sua interazione con la luce.

Sviluppate dal fisico americano Arthur Ashkin nel 1986, che ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica per questo nel 2018, le pinzette ottiche consentono agli scienziati di studiare singoli batteri, una cellula spermatozoo, filamenti di DNA, l’interazione di singole particelle con la luce e molto altro.

Oggi, questi strumenti scientifici costituiscono la base per molti esperimenti di punta nella simulazione e nel calcolo quantistico. 

Ad esempio, scienziati del Dipartimento di Fisica Sperimentale e dell’Istituto di Ottica Quantistica e Informazione Quantistica (IQOQI) hanno recentemente intrappolato atomi di erbio singoli¹ in array di pinzette ottiche per la prima volta, ampliando l’uso di questi strumenti oltre i sistemi semplici verso esperimenti quantistici più complessi.

Questo tipo di esperimenti, che intrappolano decine o centinaia di qubit atomici, hanno recentemente raggiunto array di circa un migliaio di atomi.

Scalare ciò a migliaia di qubit atomici con basse perdite, lunghi tempi di coerenza e imaging ad alta fedeltà, critico per il progresso nella correzione degli errori quantistici, è stato tuttavia, una grande sfida.
Swipe to scroll →

Tuttavia, questo è stato ora dimostrato sperimentalmente da ricercatori di Caltech. Hanno intrappolato con successo 6.100 atomi neutri in circa 12.000 siti usando un array di pinzette ottiche. Allo stesso tempo, hanno superato le “prestazioni allo stato dell’arte per diversi metrici che sostengono il successo della piattaforma,” ha osservato il team.

I ricercatori hanno dimostrato un tempo di coerenza di 12,6(1) secondi, un record per i qubit iperfini in un array di pinzette ottiche. Durato circa 23 minuti, hanno raggiunto una sopravvivenza di imaging record del 99,98952(1)% con una fedeltà di imaging superiore al 99,99%.

Secondo il team, questi risultati suggeriscono che il calcolo quantistico universale potrebbe presto diventare una realtà. 

Perché la correzione degli errori domina la roadmap del calcolo quantistico

Il calcolo quantistico ha catturato l’interesse di ricercatori e aziende in tutto il mondo. 

Secondo gli analisti di BofA, il mercato del calcolo quantistico dovrebbe raggiungere una valutazione di circa 4 miliardi di dollari entro l’inizio del prossimo decennio. 

“La promessa del calcolo quantistico è reale,” hanno affermato gli analisti in una nota ai clienti, aggiungendo che esistono ancora diversi ostacoli alla crescita della tecnologia, e una volta superati, “ci aspettiamo un’inflessione molto più significativa nei ricavi.”

I sostenitori del calcolo quantistico evidenziano il suo potenziale di trasformare finanza, assistenza sanitaria, logistica, cybersicurezza, scienza dei materiali e intelligenza artificiale. 

Proprio questa settimana, HSBC Holdings ha dichiarato di aver raggiunto una svolta mondiale nell’uso del calcolo quantistico nei mercati finanziari. La banca con sede a Londra ha utilizzato il processore quantistico Heron di IBM nel trading di obbligazioni, ottenendo un miglioramento del 34% nella previsione della probabilità che un’obbligazione venga scambiata a un certo prezzo. 

L’elaborazione quantistica è stata applicata a un set anonimizzato di dati di trading di obbligazioni europee, dove ha mostrato la capacità di migliorare significativamente l’efficienza del mercato.

Le applicazioni pratiche della tecnologia quantistica in altri settori non sono ancora solidamente stabilite, tuttavia, con i critici che sostengono che la rivoluzione dei computer quantistici è ancora lontana e limitata.

Ad esempio, alla fine dello scorso anno, Google ha rilasciato un nuovo chip chiamato Willow che ha affermato segni di una grande svolta nel campo del calcolo quantistico, ma ha osservato che il benchmark usato per misurare le sue prestazioni ha “nessuna applicazione reale conosciuta.”²

Tuttavia, McKinsey stima che il valore del mercato della tecnologia quantistica possa salire fino a 100 miliardi di dollari entro un decennio.

Questi numeri si basano sull’anticipazione che certi problemi non possono essere risolti dai computer classici ma possono essere gestiti facilmente dai computer quantistici, aiutandoci a comprendere e manipolare altri sistemi quantistici. 

Tuttavia, attualmente, il calcolo quantistico sta affrontando sfide significative legate alla decoerenza, che rende i qubit fragili e soggetti a errori. Ciò, a sua volta, rende la costosa tolleranza ai guasti fondamentale per un calcolo quantistico affidabile.

Qubit o bit quantistici sono equivalenti ai bit nei computer classici. Ma mentre i bit classici sono sempre o uno o zero, i bit quantistici possono essere entrambi allo stesso tempo finché il loro stato non viene misurato, e gli stati di più qubit possono anche essere intrecciati. 

Questi due fenomeni, sovrapposizione (la capacità di un qubit di esistere in più stati simultaneamente) e intreccio (la capacità dei qubit di essere collegati e condividere lo stesso stato indipendentemente dalla distanza), conferiscono ai computer quantistici capacità che i computer classici non possiedono.

Entrambi, però, sono stati davvero fragili che possono essere facilmente distrutti dalla più minima interazione con l’ambiente.

Dall’interferenza elettromagnetica ai cambiamenti di temperatura, i fattori ambientali possono far crollare queste proprietà, portando a risultati imprecisi. Quindi, questa fragilità è uno dei più grandi ostacoli al calcolo quantistico scalabile e potente, e così una gran parte della ricerca nel campo si concentra sulla correzione quantistica degli errori (QEC).

Uno dei modi con cui i ricercatori compensano la fragilità dei qubit e correggono gli errori è costruendo computer quantistici con qubit extra, ridondanti. Ciò significa che un computer quantistico robusto avrà centinaia di migliaia di qubit.

L’array di atomi neutri record di Caltech bilancia quantità e qualità

Lavorando verso la costruzione di un computer quantistico con molti qubit per correggere qualsiasi errore, un team di ricercatori di Caltech ha stabilito un record creando l’array di qubit più grande mai assemblato.

Un totale di 6.100 qubit a atomi neutri è stato confinato in una griglia usando laser. In precedenza, questo tipo di array conteneva solo centinaia di qubit.

Pubblicato su Nature, lo studio intitolato “Un array di pinzette con 6100 qubit atomici altamente coerenti³” descrive la pietra miliare, che ha utilizzato atomi neutri. 

Gli atomi neutri sono atomi senza carica elettrica netta. Quindi, il numero di protoni è lo stesso di quello degli elettroni. 

Sfruttando i loro livelli energetici interni, i ricercatori possono usare gli atomi neutri come qubit. I livelli energetici possono essere controllati e manipolati usando laser e campi magnetici per eseguire operazioni specifiche.

Essendo neutri, gli atomi non interagiscono fortemente tra loro, rendendo possibile intrappolare grandi array di atomi e consentendo la costruzione di processori quantistici su larga scala. Inoltre, gli atomi neutri mostrano lunghi tempi di coerenza, un altro fattore che li rende vantaggiosi per il calcolo quantistico.

Ma, naturalmente, ci sono sfide legate al bisogno di un controllo preciso su intrappolamento, raffreddamento e manipolazione.

“Questo è un momento entusiasmante per il calcolo quantistico a atomi neutri. Ora possiamo vedere una via verso grandi computer quantistici corretti dagli errori. I mattoni fondamentali sono al loro posto.”

– Investigatore principale della ricerca, Manuel Endres & un professore di fisica al Caltech

Guidato dagli studenti laureati di Caltech Hannah Manetsch, Gyohei Nomura e Elie Bataille, lo studio ha usato pinzette ottiche per intrappolare migliaia di atomi di cesio (Cs) individuali in una griglia. 

Per costruire l’array di atomi, hanno diviso un fascio laser in 12.000 pinzette, che hanno contenuto un totale di 6.100 atomi in una camera a vuoto. “Sul monitor, possiamo effettivamente vedere ogni qubit come un punto di luce,” ha detto Manetsch. “È un’immagine sorprendente dell’hardware quantistico su larga scala.”

Mentre il team è riuscito a stabilire un nuovo record di scala, questa quantità non è venuta a scapito della qualità, poiché hanno anche ottenuto lunghi tempi di coerenza.

Il team è riuscito a mantenere questi qubit in sovrapposizione per circa 13 secondi, circa dieci volte più a lungo rispetto a quanto hanno raggiunto precedenti array simili. Inoltre, hanno potuto manipolare qubit individuali con un’accuratezza fino al 99,98%.

Secondo Nomura:

“Grande scala, con più atomi, è spesso ritenuta a scapito della precisione, ma i nostri risultati mostrano che possiamo fare entrambe le cose. I qubit non sono utili senza qualità. Ora abbiamo quantità e qualità.”

Inoltre, il team ha dimostrato di poter spostare gli atomi di centinaia di micrometri (μm) attraverso l’array mantenendo la sovrapposizione. Pensate a bilanciare un bicchiere d’acqua mentre correte.

“Cercare di tenere un atomo mentre si muove è come cercare di non far ribaltare il bicchiere d’acqua. Cercare di mantenere anche l’atomo in uno stato di sovrapposizione è come stare attenti a non correre così veloce da far schizzare l’acqua.”

– Manetsch

Questa capacità è una caratteristica chiave dei computer quantistici a atomi neutri, poiché consente una correzione degli errori più efficiente rispetto ai qubit superconduttori.

La ricerca mostra che gli atomi neutri sono un forte candidato per aiutarci a implementare la correzione quantistica degli errori su scala di migliaia di qubit fisici, che è il prossimo grande traguardo per il campo.

“I computer quantistici dovranno codificare le informazioni in modo tollerante agli errori, così da poter effettuare calcoli di valore. A differenza dei computer classici, i qubit non possono semplicemente essere copiati a causa del cosiddetto teorema del non‑clonaggio, quindi la correzione degli errori deve fare affidamento su strategie più sottili.”

– Bataille

Con lo stato di sovrapposizione raggiunto, che svolge un ruolo cruciale nell’elaborazione e nella memorizzazione delle informazioni, il team ora lavorerà sull’intreccio, collegando i qubit del loro array, permettendo alle particelle di comportarsi come una sola.

Raggiungendo lo stato di intreccio, i computer quantistici potranno eseguire calcoli quantistici completi e simulazioni. Sfruttando l’intreccio, i ricercatori potranno anche fare scoperte scientifiche innovative.

“È entusiasmante che stiamo creando macchine per aiutarci a comprendere l’universo in modi che solo la meccanica quantistica può insegnarci.”

– Manetsch

Nuove architetture di soppressione degli errori e risultati di iper‑intreccio

Endres e il suo team lavorano al calcolo quantistico da molto tempo. Si specializzano nel controllare atomi singoli usando pinzette ottiche per studiare le proprietà fondamentali dei sistemi quantistici.

Oltre al sistema quantistico record‑breaking che controlla più di 6.000 atomi individuali, gli esperimenti del suo team hanno portato a nuove tecniche per cancellare gli errori nelle macchine quantistiche e a un nuovo dispositivo che può fornire gli orologi più precisi al mondo.

Nel maggio di quest’anno, hanno pubblicato uno studio⁴ che affronta il problema del movimento di vibrazione degli atomi, che rende difficile controllare il sistema. Ciò che hanno fatto è usare proprio il problema per codificare informazioni quantistiche.

“Mostriamo che il moto atomico, tipicamente trattato come una fonte di rumore indesiderato nei sistemi quantistici, può essere trasformato in una forza.”

Co‑autore principale dello studio, Adam Shaw

Il loro esperimento ha codificato informazioni quantistiche nel moto degli atomi e ha portato a uno stato di iper‑intreccio.

Ciò significa che gli stati elettronici individuali e gli stati di moto delle coppie di atomi iper‑intrecciati erano correlati. La loro dimostrazione, la prima di iper‑intreccio in particelle massicce come atomi neutri o ioni, implica inoltre che ancora più tratti potrebbero essere intrecciati simultaneamente.

“Questo ci permette di codificare più informazioni quantistiche per atomo,” ha detto Endres. “Ottieni più intreccio con meno risorse.”

Per i loro esperimenti, hanno raffreddato un array di atomi neutri di terra alcalina intrappolati all’interno di pinzette ottiche, dimostrando una nuova forma di raffreddamento tramite “rilevazione e successiva correzione attiva delle eccitazioni termiche di moto.”

Il team sta essenzialmente misurando il moto di ogni atomo e poi, a seconda del risultato, applicando un’operazione atomo per atomo.

La tecnica ha fatto sì che gli atomi arrivassero quasi a una completa immobilità. Gli atomi sono stati poi indotti a oscillare con un’ampiezza di 100 nanometri, che li ha eccitati in due oscillazioni distinte allo stesso tempo, facendo sì che il moto fosse nello stato di sovrapposizione.

Gli atomi individuali sono stati poi intrecciati con atomi partner, che sono stati ulteriormente iper‑intrecciati per correlare il movimento e gli stati elettronici degli atomi.

“Fondamentalmente, l’obiettivo era spingere i confini su quanto potessimo controllare questi atomi. Stiamo essenzialmente costruendo una cassetta degli attrezzi: sapevamo controllare gli elettroni all’interno di un atomo, e ora abbiamo imparato a controllare il moto esterno dell’atomo nel suo insieme. È come un giocattolo atomico che hai completamente padroneggiato.”

– Endres

In un altro studio di Caltech, un team di scienziati del Caltech Center for Quantum Computing sul campus universitario ha dimostrato una nuova architettura di chip quantistico⁵ progettata per sopprimere gli errori. 

“Affinché i computer quantistici abbiano successo, abbiamo bisogno di tassi di errore circa un miliardo di volte migliori di quelli attuali,” ha detto Oskar Painter, responsabile dell’hardware quantistico presso AWS e professore di fisica al Caltech. Sebbene i tassi di errore stiano diminuendo, ciò avviene a un ritmo lento, “circa un fattore due ogni due anni,” quindi, per accelerare questo processo, stanno sviluppando una nuova architettura di chip, sebbene sia “un blocco di costruzione iniziale.”

I ricercatori stanno usando cat‑qubit, che hanno errori di flip di bit significativamente ridotti, lasciando gli errori di flip di fase come gli unici da correggere. Ciò significa che i ricercatori possono usare un codice di ripetizione. Nella loro nuova chip chiamata Ocelot, un codice di ripetizione classico implica che non sono necessari tanti qubit per correggere gli errori.

“Abbiamo dimostrato un’architettura più scalabile che può ridurre il numero di qubit aggiuntivi necessari per la correzione degli errori fino al 90 percento.”

– Fernando Brandão, professore di Fisica Teorica al Caltech e direttore della scienza applicata presso AWS

Per ottenere ciò, il chip Ocelot combina cinque cat‑qubit, circuiti buffer speciali per stabilizzare la loro oscillazione, e quattro qubit di supporto per rilevare gli errori di fase. Il codice di ripetizione si è dimostrato efficace nel catturare gli errori di flip di fase, migliorando man mano che il codice aumenta da tre a cinque cat‑qubit.

Investire nella tecnologia quantistica

Ora, uno dei più puri attori del calcolo quantistico sul mercato è IonQ (IONQ ), che adotta l’approccio trapped‑ion per rendere la tecnologia una realtà. Ciò che davvero lo rende distintivo sono le porte ad alta fedeltà, l’integrazione con le principali piattaforme cloud, le acquisizioni aggressive e la forte crescita dei brevetti, sebbene i costi di scala presentino una grande sfida.

IonQ (IONQ )

Fondata un decennio fa basandosi su anni di ricerca presso l’Università del Maryland e la Duke University, IonQ sta sviluppando computer quantistici trapped‑ion. L’obiettivo dell’azienda è portare questa tecnologia in applicazioni commerciali, industriali e accademiche. 

Per questo, l’azienda si concentra sugli atomi ionizzati, che crede possano consentire ai suoi computer di eseguire calcoli più sofisticati più a lungo e con meno errori.

Proprio questo mese, IonQ ha dichiarato di aver raggiunto una fedeltà di porta a due qubit superiore al 99,9% sulle sue piattaforme di sviluppo al bario, avvicinandosi al suo sistema commerciale, IonQ Tempo.

Questo traguardo “segna una soglia critica per i sistemi di livello enterprise,” ha detto il SVP di Ingegneria e Tecnologia di IonQ, Dean Kassmann, osservando che “più alta è la fedeltà nativa della porta, meno correzione degli errori in tutte le forme è necessaria. Una fedeltà più alta è anche essenziale per applicazioni quantistiche più rapide e precise.”

L’uso di ioni di bario come qubit rappresenta un cambiamento rispetto agli ioni di itterbio su cui l’azienda ha lavorato per la maggior parte della sua storia. Gli ioni di bario sono stati scelti per le loro velocità di porta aumentate, il limite di fedeltà nativa più alto, una migliore stabilità, errori di preparazione/misurazione dello stato (SPAM) più bassi e prestazioni complessive superiori.

IonQ vanta anche un portafoglio robusto di brevetti che ora supera le 1.000, il che, secondo l’azienda, la posiziona per sviluppare sistemi scalabili, ad alte prestazioni e a costi contenuti, accelerando la sua tempistica per un vantaggio commerciale quantistico senza precedenti.

Al 29 set 2025, IONQ ha chiuso a 64,26 $ (massimo storico 75,14 $ il 23 set 2025). Questo è circa 7,4× al di sopra dei 8,74 $ di chiusura del 30 set 2024. La performance anno‑a‑data varia a seconda della finestra di riferimento ma è in genere ~+50–90 %. La capitalizzazione di mercato è circa 20–22 miliardi $.

L’azienda ha un EPS (TTM) di -2,02 e un P/E (TTM) di -33,35.

Per quanto riguarda i suoi dati finanziari, IonQ ha registrato 20,7 milioni $ di ricavi per il secondo trimestre conclusosi il 30 giugno 2025. La perdita netta è stata di 177,5 milioni $. Liquidità, equivalenti di liquidità e investimenti alla fine del periodo erano 656,8 milioni $.

Durante questo trimestre, l’azienda ha rafforzato il suo bilancio attraverso il più grande investimento azionario da una singola istituzione nel settore. IonQ ha anche completato l’acquisizione della società di interconnessioni quantistiche Lightsynq e della società spaziale Capella, e ha proposto l’acquisizione di Oxford Ionics per 1,075 miliardi $.

“La combinazione dell’hardware e del software di IonQ e dell’implementazione di Oxford di ion‑trap‑on‑a‑chip fornisce al team, IP, tecnologia e slancio per raggiungere 800 qubit logici nel 2027 e 80 000 qubit logici nel 2030.”  

– CEO Niccolò de Masi

Nel secondo trimestre, IonQ ha riportato di aver raggiunto fino a un’accelerazione di 20× in un flusso di lavoro di chimica computazionale accelerata dal quantum (per lo sviluppo di farmaci) in collaborazione con AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ) e AWS.

Ultime notizie e sviluppi sul titolo IonQ (IONQ)

Conclusione

La tecnologia quantistica è ampiamente attesa per rivoluzionare le industrie risolvendo problemi complessi. L’esperimento record‑breaking di Caltech dimostra che il calcolo quantistico su larga scala, corretto dagli errori, potrebbe avvicinarsi alla realtà.

Con questa ricerca, insieme a nuove architetture, progressi nei materiali e attori commerciali che accelerano lo sviluppo, la tecnologia quantistica potrebbe diventare uno strumento universalmente distribuibile nei prossimi anni, consentendo scoperte rivoluzionarie nella scienza e nella società.

Clicca qui per un elenco delle principali aziende di calcolo quantistico.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Pubblicato 26 novembre 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, 9 dicembre). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Recuperato da https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Pubblicato 24 settembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), pubblicato 24 settembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), pubblicato 26 febbraio 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7