Chirurgia Quantistica: come il Politecnico di Zurigo sta riparando i computer del futuro “a cuore aperto”

I computer quantistici sono un po’ come la fusione nucleare: una promessa eterna di un futuro più veloce e potente, che però sembra sempre sfuggire di mano proprio quando si pensa di averla afferrata.

Il problema, come sanno bene gli addetti ai lavori e gli investitori che osservano questo settore con un misto di speranza e terrore, non è tanto la potenza di calcolo teorica, ma la fragilità. I qubit sono “oggetti” permalosi: basta un nulla per far perdere loro la coerenza e trasformare un calcolo rivoluzionario in una sequenza di rumore inutile.

Tuttavia, qualcosa sta cambiando. Un gruppo di ricercatori dell’ETH di Zurigo (il Politecnico federale), guidati dal professor Andreas Wallraff, ha appena dimostrato che è possibile operare su questi qubit “a cuore aperto”, correggendo gli errori in tempo reale senza interrompere l’operazione. Una sorta di “chirurgia quantistica” che potrebbe rappresentare il passo decisivo verso macchine finalmente utilizzabili.

Il tallone d’Achille: la decoerenza

Per capire la portata della scoperta, bisogna prima comprendere il nemico numero uno: la decoerenza. Nei computer classici, un bit è un 1 o uno 0. È robusto. Nei computer quantistici, il qubit vive in una sovrapposizione di stati. Questa “magia” è ciò che garantisce la velocità esponenziale, ma è anche il punto debole.

Quando la decoerenza colpisce, si verificano due tipi di errori fatali:

• Bit Flip: Il qubit che doveva essere ‘0’ si comporta improvvisamente come ‘1’. È l’errore più intuitivo.
• Phase Flip: Questo è più subdolo. Anche se il qubit rimane in sovrapposizione, la relazione tra i suoi componenti si inverte (da positiva a negativa), scombinando completamente l’algoritmo.

Fino ad oggi, il mantra è stato: “costruiamo qubit migliori”. Ma la fisica ha dei limiti. L’approccio moderno, più pragmatico, è quello di smettere di fidarsi del singolo qubit fisico e cercare di compredere gli errori, per correggerli. Un qualcosa di facile, ma solo in apparenza.

La soluzione: il Qubit Logico e il codice di superficie

La strategia vincente non è cercare il qubit perfetto, ma nascondere l’informazione in una “comunità” di qubit. Si prende un singolo bit di informazione (un Qubit Logico) e lo si spalma su molti qubit fisici.

Il team di Zurigo ha utilizzato un sistema di 17 qubit fisici disposti in una griglia quadrata per creare un singolo, robusto qubit logico. Questa disposizione è nota come Surface Code (codice di superficie).

Il trucco sta nel monitoraggio. Non si possono guardare direttamente i qubit che contengono i dati, altrimenti la natura quantistica collassa (il famoso “effetto osservatore”, cioè il fatto di osservare l’esperimento ne falsa il risultato).

Invece, si usano degli “stabilizzatori”: qubit ausiliari che misurano le relazioni tra i qubit di dati. È come controllare se una squadra di calcio sta giocando bene guardando solo il punteggio e i falli, senza mai fissare direttamente i giocatori in faccia.

Quindi la correzione nel computer quantistico deve essere completamente divversa rispetto a quella del computer normale:

• Nei computer tradizionali, la correzione è “brutale”: per proteggere un dato lo copi più volte e, in caso di errore, fai una semplice “votazione” di maggioranza. Quello che risulta in più copie è quello vero, corretto.
• Nel mondo quantistico, questo è vietato dalle leggi della fisica (Teorema del No-Cloning): non puoi copiare un qubit senza distruggerlo.

La soluzione è l’ingegno: invece di copiare, si distribuisce l’informazione su una griglia di qubit fisici intrecciati (Surface Code). La sfida è doppia perché il qubit subisce due tipi di errori (inversione del valore e della fase) e per correggerli non puoi mai guardare i dati direttamente, ma devi misurare solo le loro “ombre” (gli stabilizzatori), rendendo il processo immensamente più complesso.

Computer quantistico

L’esperimento: “Lattice Surgery” (Chirurgia del Reticolo)

Fin qui, la teoria era nota. La novità introdotta dall’ETH, in collaborazione con il Paul Scherrer Institute e l’RWTH di Aquisgrana, è stata l’esecuzione di un’operazione logica complessa durante la correzione degli errori.

Hanno applicato una tecnica chiamata Lattice Surgery (chirurgia del reticolo). Immaginate di avere un foglio quadrato (il qubit logico formato dai 17 qubit fisici). I ricercatori hanno “tagliato” questo quadrato a metà leggendo tre qubit lungo la linea mediana.

Cosa è successo?

1. Il quadrato originale si è diviso in due nuovi qubit logici.
2. Grazie alla natura quantistica dell’operazione, questi due nuovi qubit non erano separati, ma entangled (intrecciati).
3. Durante tutto il processo di taglio, il sistema ha continuato a rilevare e correggere i Bit Flip.

In pratica, hanno eseguito un’operazione che è l’equivalente funzionale di una porta logica (come la Controlled-NOT), creando una connessione tra due unità logiche protette.

“Eseguire un’operazione logica in questo modo tollerante agli errori sarebbe facile se potessimo spostare i qubit e collegarli a piacere,” ha spiegato Michael Kerschbaum, uno degli autori. “Ma nei chip superconduttori i qubit sono fissi nello spazio. La chirurgia del reticolo è il modo per aggirare questo limite fisico.”

Perché è importante (e non è solo hype)

Spesso leggiamo di “supremazia quantistica” per calcoli inutili. Qui siamo di fronte a qualcosa di diverso: ingegneria strutturale.

Senza la capacità di manipolare qubit logici correggendo gli errori mentre si fanno i calcoli, un computer quantistico con centinaia di qubit non serve a nulla: produrrebbe solo spazzatura molto velocemente.

I risultati pubblicati su Nature Physics dimostrano che:

• È possibile manipolare l’informazione protetta.
• Si può generare entanglement tra qubit logici (la base per qualsiasi algoritmo complesso).
• Il tasso di errore, sebbene ancora presente (soprattutto per i phase flip durante il taglio), è gestibile e migliorabile scalando il sistema, cioè rendendolo più grande.

Le prospettive future: verso il computer “Fault-Tolerant”

Siamo arrivati? No. La strada è ancora lunga. L’esperimento ha corretto efficacemente i bit flip, ma durante l’operazione di “taglio” i phase flip sono rimasti non rilevabili. Tuttavia, questo è un problema di scala, non di fisica fondamentale. Aumentando la distanza del codice (cioè usando più qubit fisici per ogni logico), si potrà chiudere anche quella falla.

L’ETH di Zurigo ha dimostrato che i mattoni fondamentali per costruire processori quantistici planari su larga scala funzionano. Non serve una fisica nuova, serve “solo” (si fa per dire) un’ingegneria estrema.

In conclusione, se fino a ieri il computer quantistico era un neonato che non poteva essere toccato senza scoppiare a piangere (perdere la coerenza), oggi abbiamo imparato come fargli un piccolo intervento chirurgico mentre dorme, senza svegliarlo. Un passo piccolo per l’uomo, ma un passo gigantesco per l’affidabilità dei calcoli futuri.

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