Svolta nel calcolo quantistico di Google: il tasso di errore si riduce di 40 volte, superato il collo di bottiglia delle risorse chiave

Il team Quantum AI di Google ha compiuto progressi chiave nel campo del calcolo quantistico, promettendo di ridurre drasticamente i costi hardware necessari per costruire sistemi quantistici utili.

La ricerca correlata è stata pubblicata giovedì sulla rivista Science. Google ha verificato sul suo processore Willow una tecnologia chiamata "magic state cultivation", riducendo il tasso di errore quantistico di circa 40 volte e raggiungendo una fedeltà logica dello stato-T del 99,99%. Questo rappresenta il record più alto mai registrato nel settore.

La produzione di magic state è da tempo considerata il collo di bottiglia centrale per la scalabilità del calcolo quantistico: si stima che fino al 95% della potenza di calcolo di un computer quantistico possa essere dedicata esclusivamente alla generazione di magic state, lasciando risorse estremamente limitate per i calcoli effettivi.

Se questa svolta potrà essere scalata con successo, comprimerà notevolmente la quantità di hardware necessaria per costruire sistemi quantistici error-tolerant, assumendo grande rilievo nella commercializzazione del quantum computing.

Google ha anche dichiarato che, è ancora necessario verificare la fattibilità di questa tecnologia a una scala maggiore, essendo ancora distante dall’informatica quantistica realmente utile.

Al momento della pubblicazione, il titolo Google giovedì è salito dello 0,24%.

I magic state sono elementi chiave per realizzare il calcolo quantistico "universale". Per eseguire operazioni complesse che vadano oltre le capacità dei computer classici, i processori quantistici devono utilizzare i magic state per generare l'insieme di operazioni richiesto. Tuttavia, una volta utilizzati, i magic state non possono essere riutilizzati, il che li rende una risorsa preziosa.

La sfida maggiore sta nei costi di produzione. Alcune stime di ricerca hanno mostrato che i computer quantistici potrebbero dover destinare fino al 95% delle risorse totali alla produzione di magic state, lasciando pochissime risorse per i compiti di calcolo effettivi.

Questo collo di bottiglia è stato previsto dai ricercatori già nel 2004, e nei successivi vent’anni la comunità scientifica ha continuato a cercare modi per ridurre i costi di produzione dei magic state, ma i progressi sono stati lenti.

Nel 2024, i ricercatori di Quantum AI di Google Craig Gidney, Noah Shutty e Cody Jones hanno proposto un metodo di magic state cultivation sulla base della letteratura esistente.

Il cuore della strategia è progettare il processo di produzione dei magic state come un meccanismo di filtraggio: stati quantistici rumorosi vengono iniettati su una piccola area del chip, e una serie di operazioni di misurazione altamente coordinate identificano ed eliminano i tentativi difettosi, "coltivando" così stati quantistici altamente puri e a basso tasso di errore che vengono contemporaneamente codificati in forme utilizzabili di scala maggiore.

Tuttavia, passare dalla teoria alla realizzazione hardware non è stato semplice. Durante i primi test, la ricercatrice Emma Rosenfeld ha raccolto ripetutamente dati che sembravano “in contraddizione con le leggi della fisica”.

Dopo mesi di indagini, il team ha scoperto che la causa del problema era un’errata supposizione nella tecnica di riferimento delle misurazioni: il rumore generato dalla deriva degli strumenti elettrici e dalle variazioni di temperatura in laboratorio invalidava l’efficacia dei test di riferimento.

Per questo, il team non solo ha aggiunto controlli extra al sistema per attenuare il rumore, ma ha anche inventato una nuova tecnica di benchmarking, utilizzando il processo di coltivazione stesso come strumento di auto-calibrazione.

Sul processore Willow, la soluzione sopra ha portato a una riduzione del tasso di errore di circa 40 volte rispetto agli stati quantistici non coltivati, raggiungendo una fedeltà logica dello stato-T del 99,99%, un nuovo record nel campo.

Il team di Google ha anche dimostrato un’altra importante operazione: la verifica che i magic state coltivati possano essere trasferiti con successo tra due diversi schemi di correzione degli errori quantistici—nello specifico, trasferendo lo stato quantistico dal color code distance-3 (un nuovo metodo adatto alla coltivazione) al surface code distance-5 (un metodo correttivo più maturo).

Questa operazione di "innesto" dimostra che gli stati quantistici purificati possono sopravvivere stabilmente e trasferirsi correttamente all’interno dell’hardware, spianando la strada all’integrazione della tecnologia di magic state cultivation nell’architettura quantistica esistente di Google.