Quando si parla di computer quantistici,
il rischio è sempre lo stesso: o si scende subito in un livello tecnico quasi incomprensibile, oppure si resta nel vago, tra promesse futuristiche e slogan. In mezzo, però, c’è uno spazio molto interessante: spiegare cosa sta davvero succedendo oggi nella ricerca, con i suoi limiti ma anche con i suoi progressi concreti.
Un buon esempio arriva dal lavoro presentato da Milan Kornjaca, Senior Quantum Scientist di QuEra Computing, durante i Quantum for Science Days 2025 organizzati dal NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center) a Berkeley. Il tema era l’architettura Transversal STAR, pensata per la simulazione quantistica su larga scala usando atomi neutri.
La domanda giusta da cui partire
Invece di chiedersi "quando avremo un computer quantistico universale che fa tutto", la presentazione partiva da una domanda molto più concreta:come arrivare il prima possibile a milioni di operazioni quantistiche utili per problemi scientifici reali?
Queste operazioni vengono spesso indicate con il termine quop (quantum operation). Quando si parla di megaquop, si intende quindi un milione di operazioni quantistiche eseguite in modo sufficientemente affidabile da produrre un risultato sensato.
Per molte applicazioni scientifiche – chimica quantistica, fisica della materia, dinamica di sistemi complessi – questa è una soglia fondamentale.
Perché non basta aumentare il numero di qubit
Un’idea diffusa è che basti aumentare il numero di qubit per ottenere computer quantistici più potenti. In realtà il problema principale non è quanti qubit abbiamo, ma quanto rumore introducono.I qubit sono estremamente delicati:
• interagiscono con l’ambiente
• accumulano errori
• perdono informazione quantistica (decoerenza)
Per questo servono schemi di correzione degli errori, che però hanno un costo enorme: spesso per ottenere un qubit logico affidabile servono decine o centinaia di qubit fisici.
Se si punta subito a un computer quantistico universale, completamente corretto dagli errori, il numero totale di qubit richiesti diventa astronomico.
Simulazione quantistica: un obiettivo più realistico
Qui entra in gioco un’idea chiave: non tutti i problemi quantistici sono uguali. La simulazione quantistica – cioè lo studio di sistemi fisici descritti da meccanica quantistica – è un problema molto naturale per un computer quantistico. In un certo senso, è quello che questi dispositivi “sanno fare meglio”.Invece di costruire una macchina universale, l’idea è:
• accettare una certa specializzazione
• ottimizzare tutto (hardware, software, algoritmi) per una classe precisa di problemi
È un approccio meno ambizioso sulla carta, ma molto più pratico.
Perché atomi neutri?
QuEra Computing lavora con atomi neutri intrappolati e controllati tramite laser. Senza entrare nei dettagli tecnici, questa piattaforma offre alcuni vantaggi importanti:• è relativamente scalabile (si possono creare grandi array di atomi)
• le interazioni tra atomi sono adatte a modellare sistemi fisici reali
• la geometria del sistema è flessibile
Non è “la piattaforma definitiva”, ma è particolarmente interessante per la simulazione quantistica, soprattutto quando si ragiona in termini di medio periodo.
Cos’è l’architettura Transversal STAR (senza formule)
L’architettura Transversal STAR nasce da un principio semplice ma spesso ignorato: se hardware, algoritmi e correzione degli errori non sono progettati insieme, si spreca una quantità enorme di risorse. Questo approccio si chiama co-design. In pratica: • non si prende un algoritmo teorico “ideale”• non si progetta una macchina astratta
• ma si costruisce tutto tenendo conto dei limiti reali dell’hardware
Transversal STAR è pensata per rendere più economiche (in termini di qubit e operazioni) le simulazioni di Hamiltoniane, cioè le equazioni che descrivono l’evoluzione di un sistema quantistico.
Il grande collo di bottiglia: la “magic”
Un concetto che emerge spesso nel calcolo quantistico corretto dagli errori è quello di magic (o magic states). Senza entrare troppo nel gergo, possiamo dire che:• alcune operazioni quantistiche sono relativamente facili da proteggere dagli errori
• altre sono molto costose e richiedono procedure complicate
Queste operazioni “costose” sono la magic, e rappresentano uno dei principali colli di bottiglia verso il calcolo quantistico su larga scala.
L’idea chiave di Transversal STAR è ridurre drasticamente il bisogno di magic, rendendo molte operazioni trasversali, cioè applicabili in modo diretto senza circuiti lunghi e fragili.
Meno magic significa:
• meno qubit ausiliari
• circuiti più corti
• più operazioni utili prima che il rumore distrugga il risultato
Megaquop-scale: perché è un traguardo importante. Cliccando qui puoi visionare il video originale di QuEra Computing che illustra nel dettaglio l'architettura STAR e i vantaggi della computazione quantistica con atomi neutri
Grazie a questo approccio, diventa realistico parlare di simulazioni quantistiche a scala megaquop senza aspettare computer quantistici universali completamente fault-tolerant. Questo non vuol dire “niente errori”, ma errori sufficientemente controllati da permettere:• simulazioni più lunghe
• modelli più realistici
• risultati scientificamente interessanti
È un salto di qualità rispetto agli esperimenti dimostrativi di oggi.
Chiarezza sui limiti (ed è un bene)
Un aspetto che ho trovato particolarmente apprezzabile è la chiarezza sui limiti dell’approccio. Transversal STAR:• non è universale
• non risolve tutti i problemi del calcolo quantistico
• non elimina del tutto la correzione degli errori
Funziona meglio quando:
• il problema è una simulazione quantistica ben strutturata
• l’algoritmo può essere adattato all’architettura
• si accetta di ottimizzare per un obiettivo specifico
Questa onestà è fondamentale per distinguere ricerca seria da marketing.
Quantistico e classico insieme, non in competizione
Durante i Quantum for Science Days è emerso chiaramente un altro punto: il futuro prossimo è ibrido. Il computer quantistico lavora insieme a un supercomputer classico, come Perlmutter del NERSC:• il quantistico gestisce la dinamica quantistica più difficile
• il classico si occupa di controllo, ottimizzazione, analisi dei risultati
Non c’è sostituzione, ma collaborazione.
Una riflessione personale
A mio parere, lavori come questo segnano una maturazione importante del settore. Meno promesse irrealistiche e più attenzione a ciò che è ingegneristicamente possibile nel medio termine. La simulazione quantistica su larga scala potrebbe essere uno dei primi ambiti in cui i computer quantistici offriranno un vero vantaggio scientifico. Non perché siano perfetti, ma perché sono usati nel modo giusto. Se il calcolo quantistico manterrà almeno parte delle sue promesse, probabilmente lo farà grazie ad approcci specializzati come Transversal STAR, non con una singola macchina universale onnipotente. Ed è, sinceramente, una prospettiva molto più credibile – e molto più interessante.
