Scienziati di Oxford riducono l’errore quantistico a un livello record

Un crescente interesse per la tecnologia quantistica ha fatto sì che le sue dimensioni di mercato superino i 1 miliardo di dollari e si prevede che raggiungeranno più di $170 miliardi entro il 2040. Secondo McKinsey, la tecnologia quantistica potrebbe creare un valore di triliardi di dollari nel prossimo decennio.

Nell’ecosistema della tecnologia quantistica, il calcolo quantistico in particolare ha un enorme potenziale. Si tratta dell’utilizzo della meccanica quantistica, che si occupa semplicemente del comportamento della materia e dell’energia a livello atomico e subatomico, per risolvere problemi complessi.

Il calcolo quantistico dovrebbe avere un impatto profondo in vari campi, tra cui tecnologia, ricerca, scienza, finanza e economia.

A differenza dei computer classici, come i nostri laptop, che memorizzano e elaborano le informazioni in bit con ciascuno che è uno zero o uno, l’unità fondamentale nel calcolo quantistico è un qubit. Un chip quantistico è composto da molti qubit, o bit quantistici, che sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni, manipolati e controllati da campi elettrici e magnetici progettati appositamente.

I qubit possono essere in uno stato di zero, uno o una combinazione di entrambi. La combinazione, chiamata “stato di sovrapposizione”, è una proprietà distintiva che consente ai computer quantistici di memorizzare ed elaborare set di dati estremamente grandi molto più velocemente dei computer classici più potenti.

Ora, ci sono molti modi diversi per creare questi qubit, come ad esempio utilizzando semiconduttori, fotoni, dispositivi superconduttori e altri approcci.

La qualità dei qubit è di grande importanza qui. Tuttavia, sono sensibili agli errori o al rumore, che sono disturbi indesiderati che possono provenire da molte fonti. Queste fonti potrebbero includere cambiamenti di temperatura, imperfezioni nel processo di produzione e interazioni con l’ambiente del qubit, tra gli altri.

Questi errori riducono l’affidabilità di un qubit, nota come fedeltà. Un qubit con alta fedeltà è essenziale per un chip quantistico per eseguire compiti complessi.

Realizzare l’Affidabilità Quantistica

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno lavorato sui qubit logici, che si riferiscono ai qubit codificati utilizzando una raccolta di qubit fisici per proteggere contro gli errori. Mentre i qubit fisici rappresentano l’hardware quantistico reale, un qubit logico è un’astrazione che imita un qubit a prova di errore.

I principali sviluppatori di chip quantistici hanno spostato la loro attenzione sui qubit logici e stanno facendo notevoli progressi nella correzione degli errori quantistici.

Ad esempio, nel dicembre 2024, Google (GOOG ) ha presentato il suo chip quantistico chiamato Willow. Questo nuovo chip, basato su qubit superconduttori, è stato salutato come una grande scoperta nel campo del calcolo quantistico, anche se attualmente non ha applicazioni nel mondo reale.

Di solito, più qubit vengono utilizzati, più errori si verificano e il sistema diventa classico. Tuttavia, Google ha dimostrato¹ che più qubit utilizzavano in Willow, meno errori riducevano e più quantistico diventava il sistema.

Il gigante tecnologico è riuscito a ridurre gli errori “esponenzialmente” aumentando il numero di qubit, ha detto Hartmut Neven, fondatore di Google Quantum AI. Ciò “risolve una delle sfide chiave nella correzione degli errori quantistici che il settore ha perseguito per quasi 30 anni”, ha aggiunto.

Per misurare le prestazioni di Willow, Google ha utilizzato lo standard di campionamento dei circuiti casuali (RCS). Il suo chip quantistico ha eseguito un calcolo in meno di cinque minuti che avrebbe richiesto a un supercomputer 10 settillioni di anni.

A febbraio di quest’anno, Microsoft (MSFT ) ha anche presentato il primo processore quantistico al mondo alimentato da qubit topologici. Majorana 1 è progettato per scalare a un milione di qubit su un singolo chip. Con questo risultato, il gigante tecnologico ha affermato di essere sulla strada per costruire un prototipo di un computer quantistico scalabile e a prova di errore in pochi anni.

La base di Majorana 1 è la scoperta fatta dal team, in particolare il topoconduttore, una classe di materiali che ha consentito la creazione della superconduttività topologica. Ciò è il risultato della fabbricazione di un dispositivo che combina alluminio (un superconduttore) e arseniuro di indio (un semiconduttore).

Quando questo dispositivo viene raffreddato quasi a zero e quindi regolato con campi magnetici, forma fili superconduttori topologici, con le estremità dei fili che contengono modi zero di Majorana (MZM) che servono come blocchi costitutivi dei loro qubit.

Per sbloccare la promessa dei quanti, il team ha già posizionato otto qubit topologici su un chip progettato per ospitare un milione.

Anche Amazon ha annunciato il suo chip quantistico chiamato ‘Ocelot’ che utilizza un’architettura scalabile per ridurre la correzione degli errori fino al 90%.

Il chip consiste in due microchip di silicio integrati, ciascuno con un’area di circa un centimetro quadrato, saldati uno sull’altro in uno stack di chip elettricamente connesso. La superficie di ciascun microchip ha strati sottili di materiali superconduttori, che formano gli elementi del circuito quantistico.

Ci sono in totale 14 elementi principali che compongono il chip Ocelot, tra cui cinque qubit di dati (qubit del gatto), altri cinque per stabilizzare i qubit di dati e quattro qubit aggiuntivi per rilevare gli errori sui qubit di dati.

I qubit del gatto memorizzano gli stati quantistici, per i quali si affidano agli oscillatori, che sono realizzati con un film sottile di tantalio e producono costantemente un segnale elettrico ripetitivo.

“Con i recenti progressi nella ricerca quantistica, non è più una questione di se, ma di quando i computer quantistici pratici e a prova di errore saranno disponibili per applicazioni nel mondo reale. Ocelot è un passo importante in questo viaggio.”

– Oskar Painter, direttore di Quantum Hardware di AWS.

L’architettura Ocelot si ritiene acceleri il “cronogramma per un computer quantistico pratico di cinque anni”.

La Corsa Verso i Sistemi Quantistici a Prova di Errore

Migliorare l’accuratezza dei calcoli quantistici è l’obiettivo delle aziende e dei ricercatori di tutto il mondo, e sono stati fatti notevoli progressi in questo senso.

Solo un paio di anni fa, i ricercatori del MIT hanno presentato un nuovo framework di qubit superconduttore in grado di eseguire operazioni tra qubit con grande accuratezza. Il nuovo tipo di qubit superconduttore è il fluxonio, che può avere un tempo di coerenza, o tempi di coerenza, molto più lungo di quelli comunemente utilizzati.

Il tempo di coerenza è una misura di quanto a lungo un qubit possa eseguire operazioni prima che tutte le informazioni nel qubit vengano perse.

“Più a lungo vive un qubit, maggiore è la fedeltà delle operazioni che tende a promuovere.”

– Autore principale, Leon Ding

L’architettura, nel frattempo, ha coinvolto un elemento di accoppiamento speciale tra due qubit fluxonio, che consente di eseguire operazioni logiche, note come porte, con alta accuratezza. Sopprime il rumore di fondo che può introdurre errori nelle operazioni quantistiche.

L’accuratezza delle porte a due qubit ha superato il 99,9% mentre le porte a singolo qubit hanno raggiunto il 99,99%. L’architettura, nel frattempo, è stata implementata su un chip utilizzando un processo di fabbricazione estensibile.

“Costruire un computer quantistico su larga scala inizia con qubit robusti e porte”, e lo studio ha mostrato un sistema a due qubit altamente promettente, ha affermato Ding. I qubit fluxonio hanno raggiunto tempi di coerenza di più di un millisecondo. Il loro prossimo passo è stato quello di aumentare il numero di qubit.

Un paio di mesi fa, i ricercatori del MIT hanno presentato un circuito quantistico superconduttore che ha raggiunto un forte accoppiamento non lineare tra fotoni (luce a microonde) e atomi artificiali (qubit). Ciò potrebbe consentire la lettura e l’elaborazione delle informazioni quantistiche in pochi nanosecondi.

Per questo, i ricercatori hanno utilizzato un framework di circuito superconduttore unico per mostrare l’accoppiamento luce-materia non lineare, che è significativamente più forte di quanto osservato in precedenza e può consentire a un processore quantistico di funzionare fino a 10 volte più velocemente.

Secondo l’autore principale, Yufeng “Bright” Ye:

“Ciò eliminerebbe realmente uno dei collo di bottiglia nel calcolo quantistico. Di solito, è necessario misurare i risultati dei calcoli tra i round di correzione degli errori. Ciò potrebbe accelerare il modo in cui possiamo raggiungere lo stadio del calcolo quantistico a prova di errore e ottenere applicazioni e valore reali dai nostri computer quantistici.”

In questo lavoro, gli scienziati sperano che altri possano costruire un computer quantistico a prova di errore per calcoli quantistici pratici e su larga scala.

Le innovazioni della task force di nanofabbricazione SQMS, nel frattempo, hanno raggiunto² tempi di coerenza di fino a 0,6 millisecondi, che è il risultato di una progettazione ottimizzata dei qubit e migliorata dei risonatori di lettura, entrambi dei quali hanno migliorato la stabilità e la coerenza.

Questa collaborazione tra il National Institute of Standards and Technology (NIST), il centro Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) di Fermilab e altri partner governativi, universitari e industriali mira a portare la ricerca quantistica più vicina alla realtà.

In mezzo a tutte queste iniziative per costruire computer quantistici scalabili e a prova di errore, i fisici dell’Università di Oxford hanno stabilito un nuovo record mondiale per l’accuratezza delle operazioni dei qubit.

Stabilire un Nuovo Benchmark Globale per l’Accuratezza Quantistica

Il nuovo studio, pubblicato su Physical Review Letters³, mostra che i fisici di Oxford hanno raggiunto un tasso di errore di solo 0,000015% per una singola operazione logica quantistica.

Ciò significa un errore in 6,7 milioni di operazioni, che è un nuovo record per l’accuratezza delle operazioni dei qubit e un grande passo avanti verso l’ottenimento di computer quantistici più robusti e utili per affrontare problemi estremamente complessi con meno qubit fisici e requisiti di infrastruttura ridotti.

“Per quanto ne siamo a conoscenza, questa è l’operazione di qubit più precisa mai registrata in tutto il mondo. È un passo importante verso la costruzione di computer quantistici pratici che possano affrontare problemi del mondo reale.”

– Coautore dello studio, Professor David Lucas, Dipartimento di Fisica, Università di Oxford

Ciò che è interessante è che questa scoperta rompe il record precedente stabilito dalla stessa squadra. Il nuovo record è circa sette volte più preciso del precedente.

Poco più di un decennio fa, il team ha implementato⁴ tutte le operazioni a singolo qubit con fedeltà ben al di sopra della soglia minima necessaria per il calcolo quantistico a prova di errore, utilizzando un qubit di ione intrappolato memorizzato in stati “orologio atomico” iperfini.

Il successo ha portato al lancio della società spin-off chiamata Oxford Ionics nel 2019, che è diventata un leader nelle piattaforme di qubit intrappolati ad alta prestazione. A maggio 2025, ha delineato tre fasi di sviluppo a breve termine: ‘Fondazione’, ‘Enterprise-grade’ e ‘Valore su larga scala’, per raggiungere un valore commerciale ampio entro i prossimi 3 anni e consegnare dispositivi da 1 milione di qubit. Solo la scorsa settimana, Oxford Ionics ha stipulato un accordo con IonQ (IONQ ) per essere acquisita per 1,075 miliardi di dollari.

Ora, la stessa squadra ha raggiunto un nuovo traguardo nella riduzione della probabilità che le porte logiche quantistiche commettano errori.

Eseguire calcoli utili su un computer quantistico richiede milioni di operazioni da eseguire su molti qubit. Ma questa magnitudine significa che un alto tasso di errore può rendere il risultato finale insignificante e inutile.

Correggere l’errore può correggere l’errore, ma ciò richiede ancora più qubit. Quindi, riducendo l’errore, il nuovo studio riduce il numero di qubit necessari, che a sua volta riduce le dimensioni e i costi del computer quantistico.

“Riducendo drasticamente la possibilità di errore, questo lavoro riduce notevolmente l’infrastruttura necessaria per la correzione degli errori, aprendo la strada ai futuri computer quantistici per essere più piccoli, più veloci e più efficienti. Il controllo preciso dei qubit sarà anche utile per altre tecnologie quantistiche come gli orologi e i sensori quantistici”, ha affermato il coautore dello studio, Molly Smith, studentessa di dottorato a Oxford.

Per raggiungere il livello di accuratezza senza precedenti, i fisici hanno utilizzato un ione di calcio intrappolato come bit o qubit quantistico.

Gli ioni di calcio sono comunemente utilizzati per memorizzare informazioni quantistiche a causa dei loro lunghi tempi di coerenza e dell’alta fedeltà nelle operazioni quantistiche. Sono anche molto robusti e facili da manipolare con laser.

Tuttavia, il team di Oxford non ha utilizzato l’approccio laser convenzionale; invece, hanno utilizzato segnali elettronici (a microonde) per controllare lo stato quantistico degli ioni di calcio.

Con questa tecnica, sono stati in grado di avere una maggiore stabilità rispetto a quanto potesse offrire il controllo laser. Ma non è tutto. Rispetto ai laser, il controllo elettronico è anche più economico e robusto. È anche più facile da integrare nei chip di intrappolamento degli ioni.

Inoltre, l’esperimento è stato condotto senza schermatura magnetica e a temperatura ambiente, il che semplifica i requisiti tecnici per un computer quantistico funzionante.

Quindi, il team è stato in grado di ridurre l’errore di quasi un ordine di grandezza questa volta attraverso un miglior controllo dell’ampiezza delle microonde e della sintonia con procedure di calibrazione automatiche. Inoltre, la ridotta eccitazione delle transizioni spettatrici attraverso divisioni di Zeeman più grandi, nonché l’utilizzo della forma dell’impulso, hanno contribuito a ciò.

La precisione record è un enorme risultato; tuttavia, fa parte di una sfida più ampia. Come ha notato il team, il calcolo quantistico richiede sia porte a singolo qubit che a due qubit che funzionino insieme, e le porte a due qubit soffrono ancora di alti tassi di errore.

Attualmente, il miglior tasso di errore è intorno a 1 su 2000, quindi per costruire una macchina quantistica completamente a prova di errore, il team deve ridurre questo numero.

Le operazioni a singolo qubit ad alta fedeltà hanno ancora molti usi sia nell’informazione quantistica che al di là di essa, tra cui la protezione dei qubit “inattivi” mediante accoppiamento dinamico, nelle applicazioni di sensore quantistico e nelle sequenze di impulsi composti per indirizzare singoli qubit e compensare gli errori.

Investire nel Calcolo Quantistico

International Business Machines Corporation (IBM ), nota per le sue piattaforme cloud e AI ibride e per i servizi di consulenza e infrastrutture, ha esplorato la tecnologia quantistica dal 1970. Nel 2016, ha lanciato l’esperienza quantistica di IBM, che ha messo il primo processore quantistico sulla cloud, rendendolo accessibile a tutti.

IBM (IBM )

Negli anni, IBM ha continuato la sua ricerca nel settore e la scorsa settimana ha annunciato piani per avere un computer quantistico pratico pronto entro il 2029.

Chiamato “Starling”, il computer quantistico a prova di errore con 200 qubit logici sarà costruito in un data center in costruzione a Poughkeepsie, New York.

Secondo i rapporti, il team ha sviluppato un nuovo algoritmo che riduce notevolmente il numero di qubit necessari per la correzione degli errori. Jay Gambetta, a capo dell’iniziativa quantistica di IBM, ha affermato:

“Abbiamo risposto a quelle domande scientifiche. Non hai più bisogno di un miracolo. Ora hai bisogno di una sfida di ingegneria. Non c’è reinvenzione di strumenti o nulla del genere.”

Ora, se guardiamo al mercato di 257,64 miliardi di dollari, le azioni di IBM sono attualmente scambiate a 278 dollari, con un aumento del 26,11% dall’inizio dell’anno. Le azioni di IBM hanno effettivamente raggiunto un massimo storico (ATH) di 281,75 dollari solo la scorsa settimana.

Con ciò, il suo EPS (TTM) è di 5,85 e il P/E (TTM) è di 47,42, mentre il rendimento del dividendo offerto è del 2,42%.

Quando si tratta dei finanziamenti di IBM, ha segnalato un fatturato di 14,5 miliardi di dollari per il primo trimestre del 2025. Il margine di profitto lordo GAAP durante questo periodo è stato del 55,2%, mentre il margine di profitto operativo non GAAP è stato del 56,6%. Il margine di reddito lordo GAAP prima delle imposte è stato dell’8%, mentre il margine operativo non GAAP è stato del 12%.

“Abbiamo superato le aspettative per il fatturato, la redditività e la generazione di flusso di cassa nel trimestre, guidato dalla forza in tutto il nostro portfolio software. C’è ancora una forte domanda per l’AI generativa e il nostro libro degli affari è di oltre 6 miliardi di dollari dall’inizio, aumentato di oltre 1 miliardo di dollari nel trimestre.”

– CEO Arvind Krishna

Nel primo trimestre di quest’anno, la cassa generata dalle attività operative è stata di 4,4 miliardi di dollari, mentre il flusso di cassa libero è stato di 2 miliardi. IBM ha chiuso il trimestre con 17,6 miliardi di dollari di cassa, cassa vincolata e titoli negoziabili.

Una posizione di liquidità solida e un flusso di cassa libero robusto hanno consentito alla società di restituire 1,5 miliardi di dollari agli azionisti sotto forma di dividendi. Ha anche investito 7,1 miliardi di dollari in acquisizioni, che includevano l’acquisto di HashiCorp. Secondo Krishna:

“Rimangono ottimisti sulle opportunità di crescita a lungo termine per la tecnologia e l’economia globale.”

Ultime Notizie e Sviluppi su International Business Machines Corporation (IBM)

Conclusione: Prossimi Passi Verso la Realtà Quantistica

Dagli scienziati alle aziende e ai governi, tutti sono coinvolti attivamente e profondamente nel rendere i computer quantistici una realtà. Le ultime scoperte del team di Oxford e dei giganti tecnologici stanno migliorando drasticamente la fedeltà dei qubit e rendendo la correzione degli errori più efficiente, il che significa che il prossimo balzo quantistico potrebbe non essere più lontano, rendendo i computer quantistici pratici inevitabili!

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

Studi Citati:

<sup>1. Google Quantum AI e collaboratori. Correzione degli errori quantistici al di sotto della soglia del codice di superficie. Natura 2025, 638 (8016), 920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bal, M.; Crisa, F.; Murthy, A. A.; et al. SQMS Nanofabrication Taskforce: verso la fabbricazione di qubit superconduttori ad alta coerenza. Conferenza, 20 settembre 2024. https://doi.org/10.2172/2462792
3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Porte a singolo qubit con errori al livello di 10⁻⁷. Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 230601. https://doi.org/10.1103/42w2-6ccy
4. Harty, T. P.; Allcock, D. T. C.; Ballance, C. J.; et al. Preparazione ad alta fedeltà, porte, memoria e lettura di un bit quantistico intrappolato. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501</sup>