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Scalare i computer quantistici con qubit a singolo atomo
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Qubit a singolo atomo: una nuova era per il calcolo quantistico
Quantum computers are extraordinarily complex machines, exploiting minute variations in the behaviors of individual atoms for computation. As such, they both make use of and reveal new insights into the very nature of the universe at the atomic and individual particle scale.
Probabilmente tali intuizioni saranno necessarie per costruire computer quantistici su larga scala, poiché più il sistema è complesso, più è difficile realizzarne uno sufficientemente grande per usi pratici.
Ricercatori dell’Università di Sydney, Australia, sono riusciti recentemente a codificare più dati di calcolo quantistico in un singolo atomo, potenzialmente rivoluzionando le dimensioni fisiche dei qubit di calcolo quantistico (l’equivalente quantistico dei bit dei computer “normali”).
They published their results in the prestigious scientific journal Nature Physics1, under the title “Universal quantum gate set for Gottesman–Kitaev–Preskill logical qubits”.
Rendere il qubit affidabile
Currently, qubits are produced either through a method called “trapped ion”, or by using ultra-cold superconducting materials.
Fonte: Forbes
Entrambi i metodi hanno le loro limitazioni:
- Gli ioni intrappolati contengono solo una manciata di qubit, ma sono più affidabili e producono meno errori.
- I materiali superconduttori hanno più qubit e si prevede che siano più facili da scalare, ma sono più soggetti a errori.
In entrambi i casi, il tasso di errore influisce sul rapporto tra qubit fisici e logici, ovvero sulla quantità di qubit fisici necessari per creare un qubit funzionale dal punto di vista del calcolo.
Man mano che aumenta il numero di qubit utili (o logici), il numero di qubit fisici richiesti cresce ulteriormente. Con questa scala, l’enorme quantità di qubit necessaria per creare una macchina quantistica utile diventa un incubo ingegneristico.
Quindi, rendere i computer quantistici più resistenti agli errori è forse il compito più importante dei ricercatori del settore al momento, poiché eliminerebbe l’ostacolo principale alla costruzione di computer quantistici utili su larga scala.
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| Tipo di Qubit | Scalabilità | Tasso di errore | Temperatura |
|---|---|---|---|
| Ioni intrappolati | Bassa (pochi qubit) | Basso | Temperatura ambiente |
| Superconduttivo | Alta | Alta | Vicino allo zero assoluto |
| Singolo atomo (Sydney) | Potenzialmente alta | Correggibile con GKP | Temperatura ambiente |
Ridurre le dimensioni dei qubit
I ricercatori australiani hanno utilizzato un sistema di calcolo quantistico a ione intrappolato (con un atomo carico di itterbio) e una forma di codifica dei dati chiamata codice Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP).
Il GKP è un tipo di codice che dovrebbe aiutare a correggere gli errori nei computer quantistici. Tuttavia, crearne uno nella pratica è stato finora difficile.
La chiave è creare un “gate logico”, un interruttore informativo che consente ai computer – quantistici e classici – di essere programmabili.
Utilizzando un software di controllo quantistico sviluppato da Q‑CTRL, una start‑up spin‑off del Quantum Control Laboratory, i ricercatori hanno codificato i dati in un singolo atomo, in 3D.
In sostanza, due insiemi di dati sono memorizzati come vibrazione di un singolo atomo, un insieme come vibrazione da “sinistra a destra”, e l’altro come vibrazione da “su e giù”.
“In pratica, memorizziamo due qubit logici correggibili da errori in un singolo ione intrappolato e dimostriamo l’entanglement tra di loro.
Vassili Matsos – dottorando presso la School of Physics e Sydney Nano”
Costruire un gate logico a singolo atomo
Per realizzare questa impresa della fisica quantistica, hanno utilizzato una complessa serie di laser a temperatura ambiente per tenere il singolo atomo nella trappola, consentendo di controllare e utilizzare le sue vibrazioni naturali per produrre i complessi codici GKP.
Fonte: Nature Physics
La parte “a temperatura ambiente” è molto importante, poiché rende l’esperimento intrinsecamente più facile e meno costoso rispetto ai computer quantistici superconduttivi che richiedono temperature vicine allo zero assoluto e elio liquido.
“I nostri esperimenti hanno mostrato la prima realizzazione di un set universale di gate logici per i qubit GKP.
Abbiamo fatto ciò controllando con precisione le vibrazioni naturali, o oscillazioni armoniche, di un ione intrappolato in modo da poter manipolare singoli qubit GKP o intrecciarli come coppia.
Verso computer quantistici scalabili
È la combinazione di controlli a temperatura ambiente, un gate logico a singolo atomo e un codice di riduzione degli errori che rende questa scoperta così importante.
Insieme, questo apre la strada a un nuovo tipo di computer quantistico a ioni intrappolati che potrebbe essere molto più semplice da costruire e molto più facile da scalare.
“I nostri esperimenti hanno raggiunto una pietra miliare chiave, dimostrando che questi controlli quantistici di alta qualità forniscono uno strumento fondamentale per manipolare più di un singolo qubit logico.
Dimostrando gate quantistici universali usando questi qubit, abbiamo una base per lavorare verso l’elaborazione di informazioni quantistiche su larga scala in modo altamente efficiente dal punto di vista hardware.
Parallelamente, sono state recentemente fatte diverse nuove scoperte che mostrano il potenziale di interfacciare insieme i computer quantistici. Quindi, se ciascuno diventa più potente e le reti quantistiche si avvicinano a una realtà, ciò potrebbe favorire un’esplosione nella capacità di qubit utilizzabili.
Computer quantistici che sbloccano nuova fisica
I computer quantistici su larga scala probabilmente rivoluzioneranno la crittografia e la ricerca scientifica, grazie alla loro enorme capacità di risolvere problemi complessi troppo difficili da calcolare con computer binari.
Ma potrebbe anche aprire indirettamente un modo completamente nuovo per i fisici di studiare il regno quantistico.
Questo è ciò che emerge dalle analisi effettuate sui computer quantistici di Google da parte di ricercatori della Princeton University, Cornell University, Purdue University, University of Nottingham (UK), Technical University of Munich (Germania) e Google Research, secondo una nuova pubblicazione su Nature2, intitolata “Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories”.
Misurare la teoria di gauge
Il computer quantistico di Google consente ai ricercatori di sperimentare e testare la cosiddetta “Lattice Gauge Theory” (LGT), un tipo di teoria quantistica dei campi che postula l’esistenza di campi di gauge (campi che mediano forze, come il campo elettromagnetico) e bosoni di gauge (le particelle elementari che trasportano queste forze).
Fonte: Nature
Il team ha mostrato come le particelle e le “stringhe” invisibili che le collegano si comportano, fluttuano e persino si rompono.
Fonte: Nature
I ricercatori hanno confermato in quello studio che queste “stringhe” possono essere misurate e osservate nei computer quantistici.
“Sfruttando la potenza del processore quantistico, abbiamo studiato la dinamica di un tipo specifico di teoria di gauge e osservato come le particelle e le ‘stringhe’ invisibili che le collegano evolvono nel tempo.”
Creando situazioni molto controllate in cui osservare gli effetti quantistici, senza richiedere i livelli di energia molto elevati degli acceleratori di particelle, diventa chiaro che i computer quantistici potrebbero diventare strumenti chiave per la ricerca di fisica fondamentale.
“Il nostro lavoro mostra come i computer quantistici possano aiutarci a esplorare le regole fondamentali che governano il nostro universo.
Simulando queste interazioni in laboratorio, possiamo testare le teorie in nuovi modi.
Michael Knap, Professor of Collective Quantum Dynamics at the TUM School of Natural Sciences
Il futuro dei computer quantistici scalabili
Il potenziale dei computer quantistici deve ancora essere pienamente compreso, poiché vengono regolarmente reinventati a partire dai loro principi fondamentali, non dissimili da come i primi computer passarono dalle schede perforate ai tubi a vuoto e poi ai transistor al silicio. Solo che il ritmo del cambiamento è molto più rapido.
Ciò implica che molto presto potremmo assistere a grandi progressi nella fabbricazione di computer quantistici più grandi e potenti, che potrebbero anche essere interconnessi per capacità ancora maggiori.
Ciò potrebbe aprire la strada non solo a capacità di calcolo molto più elevate, ma anche a una comprensione completamente nuova della materia e della fisica quantistica, con, ad esempio, un nuovo stato della materia come the recently demonstrated “topological state” by Microsoft quantum computing teams (Majorana-1 chip) (MSFT ).
Investire nel calcolo quantistico
Honeywell / Quantinuum
HON Grafico dei prezzi
Mentre il computer quantistico di Google potrebbe rivelare nuove intuizioni sulla teoria della fisica quantistica, la scoperta di un potenziale qubit a 1 atomo usando la tecnologia a ioni intrappolati sembra avvicinare molto questo metodo alla fattibilità commerciale rispetto ai computer quantistici superconduttori.
Quantinuum è il risultato della fusione tra Honeywell Quantum Solutions e Cambridge Quantum.
Honeywell rimane l’azionista di maggioranza della società (probabilmente il 52% delle azioni) after a fundraising round valuing it at $5B. Si riporta che il fondatore Ilyas Khan possieda circa il 20% della società. Altri azionisti includono JSR Corporation, Mitsui, Amgen (AMGN ), IBM e JP Morgan.
Un potenziale IPO di Quantinuum in futuro, potenzialmente come parte di una più ampia ristrutturazione aziendale, is estimated to be worth as much as $20B e might occur between 2026 and 2027.
Il calcolo quantistico non è la parte centrale del business di Honeywell, più focalizzato su prodotti nei settori aerospaziale, automazione e chimica specializzata & materiali.
Ciascuno di questi settori potrebbe, tuttavia, beneficiare del calcolo quantistico, in particolare computational chemistry e la sicurezza informatica quantistica, potenzialmente dando a Honeywell un vantaggio rispetto ai concorrenti.
Il modello principale dell’azienda al momento è l’H2, un chip a ioni intrappolati da 56 qubit, con una fedeltà del gate a due qubit del 99,895%.
L’azienda ha perseguito un calcolo di alta qualità con pochissimi errori, più che aggiungere il maggior numero possibile di qubit, creando quello che si chiama “computazione quantistica tollerante ai guasti”.
Questo approccio è etichettato dall’azienda “Better qubits, better results”, con una quantità simile di qubit che ottiene risultati da 100 a 1.000 volte più affidabili.
Fonte: Quantinuum
Ciò potrebbe fare una differenza notevole nella crittografia resistente al quantum, urgentemente necessaria, con la società di difesa Thales (HO.PA -0,96%) already collaborating with Quantinuum così come the international banks HSBC e JP Morgan.
Quantinuum offre anche la sua chimica computazionale quantistica proprietaria InQuanto, utilizzabile per prodotti farmaceutici, scienze dei materiali, chimica, energia e applicazioni aerospaziali.
Come molte altre aziende di calcolo quantistico, Quantinuum offers Helios, a “hardware-as-a-service”, consentendo agli utenti di beneficiare del calcolo quantistico senza doversi occupare della complessità …
Quantinuum ha firmato a novembre 2024 una partnership con la tedesca Infineon, il più grande produttore di semiconduttori d’Europa. Infineon porterà la sua tecnologia di fotonica integrata e di elettronica di controllo per aiutare a creare la prossima generazione di computer quantistici a ioni intrappolati.
Poiché la fotonica integrata si avvicina a casi d’uso pratici, è ora chiaro quanto possa essere importante questa partnership per il futuro di Quantinuum. A questo punto, sembra che il prossimo passo per l’azienda sarà rilasciare il primo chip al mondo focalizzato su AI, fotonica‑quantistico.
Nei prossimi mesi, Quantinuum condividerà i risultati delle collaborazioni in corso, mostrando il potenziale rivoluzionario dei progressi guidati dal quantum nell’AI generativa.
La capacità innovativa Gen QAI migliorerà e accelererà l’uso dei Metallic Organic Frameworks per la somministrazione di farmaci, aprendo la strada a opzioni di trattamento più efficienti e personalizzate, con dettagli che saranno svelati al lancio di Helios.
Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential
Altri casi d’uso in corso potrebbero aumentare notevolmente il valore futuro dell’azienda e, di conseguenza, la quota di Honeywell, nonché il potenziale profitto che gli investitori potrebbero trarre.
(Puoi leggere di più sul resto delle attività industriali di Honeywell nell’automazione, aerospazio e materiali avanzati nel rapporto dedicato all’azienda).
Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Honeywell (HON)
Studi citati
1. Matsos, V.G., Valahu, C.H., Millican, M.J. et al. Universal quantum gate set for Gottesman–Kitaev–Preskill logical qubits. Nature. Physics. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualizing dynamics of charges and strings in (2 + 1)D lattice gauge theories. Nature 642, 315–320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
