Recenti ricerche suggeriscono che Microsoft Corporation abbia compiuto un significativo passo avanti nella correzione degli errori nel calcolo quantistico, mettendo un chiaro distacco tra sé, IBM, Google e il resto del settore. Questo progresso potrebbe segnare l’inizio di alcuni degli anni più profittevoli per Microsoft.

Il progresso dell’industria quantistica

Con l’avanzare dell’industria del calcolo quantistico, emergono nuovi temi e sempre più aziende e governi investono nel settore, con risultati sorprendenti. Ad esempio, D-Wave ha ottenuto un vantaggio quantistico nel risolvere problemi di ottimizzazione con la sua macchina di annealing, mentre Quantinuum è riuscita a teletrasportare un qubit nella realtà (non solo nella fantascienza). Anche Google ha avviato nuovi progetti, tra cui un kit di simulazione quantistica sviluppato in collaborazione con Keysight. In Europa, IQM ha già prodotto 30 computer quantistici e si prepara alla produzione su larga scala. Il Colorado ha investito $40 milioni in un Quantum Park. Google ha iniziato a sviluppare la sua offerta quantistica con un nuovo kit di simulazione di Keysight.

Tuttavia, la creazione di un computer quantistico universale, capace di risolvere ogni tipo di problema, rimane sfuggente a causa delle sfide legate alla scalabilità e alla correzione degli errori. La recente ricerca di Microsoft sembra avvicinarci a questo obiettivo.

Molti algoritmi quantistici sono stati creati per scopi come progettare nuove batterie e scoprire nuovi farmaci. Un algoritmo è come un diagramma di flusso di operazioni che devono essere eseguite per passare da un punto iniziale a un punto finale.

Nella programmazione quantistica, che utilizza l’algebra lineare, ogni operazione è una moltiplicazione di matrici (un array di numeri). Più il problema è complesso, più grandi sono le matrici e i computer attuali non possono moltiplicare grandi matrici rapidamente. Uno dei primi e più noti algoritmi che richiede un computer quantistico è l’algoritmo di Shor.

Userò l’algoritmo di Shor come esempio perché il problema è semplice da capire e mostra la differenza tra ciò che può essere fatto oggi con i computer classici e ciò che potrebbe essere fatto domani con i computer quantistici.

L’algoritmo di Shor riguarda la fattorizzazione dei numeri primi. Prende un numero e lo scrive come un prodotto di numeri primi. Per numeri piccoli è facile: 15 = 5 x 3, 132 = 2 x 2 x 3 x 11. Per numeri molto grandi, è estremamente difficile. È così difficile che RSA Security LLC ha offerto $200.000 a chi riesce a calcolare la fattorizzazione di un numero chiamato RSA-617, che ha 617 cifre. Se sei interessato, ecco il numero:

25195908475657893494027183240048398571429282126204032027777137836043662020707595556264018525880784406918290641249515082189298559149176184502808489120072844992687392807287776735971418347270261896375014971824691165077613379859095700097330459748808428401797429100642458691817195118746121515172654632282216869987549182422433637259085141865462043576798423387184774447920739934236584823824281198163815010674810451660377306056201619676256133844143603833904414952634432190114657544454178424020924616515723350778707749817125772467962926386356373289912154831438167899885040445364023527381951378636564391212010397122822120720357.

Se dovessimo utilizzare il supercomputer più potente disponibile oggi e i migliori algoritmi di fattorizzazione che abbiamo, ci vorrebbe più energia elettrica di quanta ne sia mai stata prodotta sulla Terra e un tempo maggiore di quello dell’esistenza stessa dell’universo per trovare la risposta.

Il tempo che un computer quantistico impiegherebbe per risolvere questo problema dipende dal numero di qubit affidabili che ha a disposizione. Tuttavia, con 4.000 qubit corretti per errore, ci vorrebbero circa 23 ore e un consumo energetico simile a un normale laptop.

La differenza è sbalorditiva e spiega la corsa mondiale per sviluppare computer quantistici. Mi concentrerò sui progressi che hanno fatto e spiegherò il divario che si sta sviluppando tra Microsoft e gli altri sulla strada verso il vero calcolo quantistico.

Le sfide del calcolo quantistico

Uno dei maggiori ostacoli nel settore quantistico è legato alla correzione degli errori e alla scalabilità. Per costruire computer quantistici efficaci, è necessario un gran numero di qubit (unità di informazione quantistica) che siano capaci di produrre risultati corretti, ma ciò si sta rivelando molto più difficile del previsto. Microsoft ha recentemente annunciato risultati rivoluzionari in questo campo, suggerendo di essere vicina alla realizzazione di un grande computer quantistico capace di eseguire algoritmi complessi come quello di Shor, usato per la fattorizzazione di numeri primi.

La scalabilità dipende dal tipo di qubit utilizzato. Ad esempio, IBM e Google stanno lavorando con qubit superconduttori, mentre IONQ e Quantinuum usano ioni intrappolati. Tuttavia, entrambe le tecnologie presentano problemi di scalabilità. Microsoft sta invece seguendo una strada diversa, concentrandosi sui qubit topologici, che offrono potenziali vantaggi in termini di resistenza agli errori.

La correzione degli errori: il progresso di Microsoft

Tutti i qubit, indipendentemente dal tipo, sono inaffidabili. Interagiscono tra loro e con l’ambiente, cambiando valore e causando errori nei calcoli. Anche la misurazione può alterare il loro valore, spesso senza una chiara spiegazione. I produttori di tecnologie quantistiche usano il termine “fedeltà” per descrivere la resistenza agli errori dei loro qubit e citano numeri impressionanti.

MIT ha riportato una fedeltà del 99,9% nel 2023 e recentemente IONQ ha annunciato di aver raggiunto lo stesso risultato. Questo rappresenta un significativo progresso ingegneristico e scientifico. Tuttavia, la nostra comprensione dei grandi numeri può ingannarci.

Se la fedeltà di un qubit è del 99,9%, la probabilità di errore è dello 0,1%. Eseguendo 1.000 operazioni, la probabilità di ottenere la risposta corretta è del 37%. Quindi, con il 99,9% di fedeltà, i computer sbagliano il 63% delle volte.

L’algoritmo di Shor, che richiede milioni di operazioni al secondo, avrebbe una probabilità quasi nulla di ottenere la risposta giusta con il 99,9% di fedeltà. La ricerca di una soluzione a questi errori è iniziata con il Codice di Shor, che collega nove qubit per farli agire come un unico qubit. La maggior parte dei qubit rileva e corregge errori, fornendo la risposta corretta. Questi nove qubit sono conosciuti come un qubit logico.

Questo metodo è stato successivamente migliorato, creando codici a 7 e 5 qubit. Tuttavia, il metodo di Shor non si scala bene oltre un piccolo numero di qubit logici, portando allo sviluppo del Codice di Superficie, il codice di correzione degli errori dominante per molti anni.

Codice di Superficie

Il codice di superficie ha due componenti principali: un design geometrico per posizionare i qubit fisici e creare qubit logici, e un insieme di operazioni per rilevare e correggere errori sui qubit. Se i qubit hanno una fedeltà sopra il 99,9%, il codice di superficie protegge efficacemente dagli errori. I codici di superficie, noti anche come codici LDPC, sono ben studiati e robusti. Tuttavia, il problema è la scala: più qubit logici si aggiungono, più qubit fisici sono necessari, quasi in modo esponenziale.

Un computer quantistico funzionante potrebbe richiedere circa 20 milioni di qubit fisici per usare il codice di superficie, ma attualmente i principali produttori non superano di molto i mille qubit, rendendola una soluzione difficile da realizzare.

IBM o International Business Machines ha pubblicato un articolo su una versione migliorata del codice di superficie. Questo nuovo codice riduce di dieci volte il numero di qubit necessari, da 20 milioni a 2 milioni, ma richiede una fedeltà dei qubit del 99,999% (cinque nove). Per raggiungere questo obiettivo, sarà necessario migliorare significativamente la produzione di qubit, dato che attualmente siamo appena a tre nove.

Microsoft ha recentemente pubblicato uno studio che rappresenta un importante passo avanti nella correzione degli errori.

In collaborazione con Quantinuum, Microsoft ha creato i qubit logici più affidabili mai realizzati, utilizzando 30 qubit fisici per produrre 4 qubit logici con una fedeltà impressionante del 99,99999%, un risultato senza precedenti nel campo.

Questo risultato è particolarmente significativo perché dimostra che il sistema di correzione degli errori sviluppato da Microsoft può essere scalato senza la crescita esponenziale richiesta dai precedenti approcci, come il Surface Code utilizzato da IBM.

Microsoft Quantum Azure: una piattaforma all’avanguardia

Microsoft ha integrato questi sviluppi nel suo Quantum Azure, una piattaforma quantistica avanzata che permette agli utenti di sperimentare con computer quantistici disponibili attraverso il cloud. Quantum Azure è attualmente la piattaforma più avanzata nel settore, grazie alla combinazione di supercalcolo, intelligenza artificiale e calcolo quantistico. Microsoft continua a migliorare il sistema, integrando nuovi algoritmi e migliorando la capacità di eseguire simulazioni chimiche e fisiche.

Il codice Qubit-Virtualization ha usato 30 qubit di ioni intrappolati da Quantinuum con una fedeltà del 99,8%, eseguendo 14.000 operazioni senza errori. Questo codice ha creato 4 qubit logici da 30 qubit fisici (la macchina ha 32 qubit disponibili). I qubit logici entangled avevano una fedeltà del 99,99999%, un miglioramento di 800 volte rispetto ad altri. Questo mese, Microsoft ha pubblicato nuovi risultati della collaborazione con Quantinuum.

Il codice QV è stato migliorato e ora Quantinuum offre più qubit. Sono stati creati 12 qubit logici con una fedeltà di sei nove, mantenendo una fedeltà di base del 99,8%. Il numero di qubit fisici è cresciuto proporzionalmente ai qubit logici, senza crescita esponenziale necessaria.

Questo è significativo perché 12 qubit logici con alta fedeltà possono risolvere problemi concreti. Microsoft ha usato il suo sistema ibrido end-to-end, combinando il calcolo AI di Quantinuum e il nuovo codice QV, per stimare lo stato di un catalizzatore attivo. I risultati mostrano il massimo dai qubit fisici, il meglio del lavoro chimico, i risultati dei nuovi qubit logici e lo stato reale.

Neutral Atom Qubits

La fedeltà dei qubit di atomi neutri attualmente non supera il 99,5%, insufficiente per le necessità attuali, e la scalabilità è un altro problema. IONQ mira a raggiungere 64 qubit nel 2025, mentre Atom ha già superato i 1.000 e punta a 10.000 qubit l’anno prossimo. Atom Computing è leader nei qubit di atomi neutri.

La loro macchina H2 ha 1.200 qubit e aumentano il numero di qubit di 10 volte ad ogni aggiornamento. Atom prevede 10K qubit con l’attuale architettura e 100K qubit con l’architettura H3. Atom utilizza laser per muovere gli atomi neutri nel sistema.

Per intrecciare i qubit, li eccitano e li spostano in uno stato di Rydberg, dove gli elettroni orbitano a distanze maggiori, permettendo loro di connettersi con i vicini. IONQ ritiene che lo stato di Rydberg sia dove si verificano errori. Nell’ultimo articolo di Atom, mostrano che stanno migliorando la fedeltà: hanno raggiunto il 99,7% sui gate CZ e il 99,9% sui gate RZ. Questo è un miglioramento significativo rispetto ai risultati precedenti sotto il 99,5%, anche se ancora dietro a IONQ.

Atom e Microsoft hanno dimostrato che il codice di correzione degli errori MSFT QV funziona sul dispositivo quantistico H2 di Atom, come riportato nel comunicato stampa collegato.

Insieme, Microsoft e Atom Computing hanno creato qubit logici e stanno ottimizzando i loro sistemi per consentire un calcolo quantistico affidabile.

Dal lavoro di MSFT/Quantinuum, emerge che il codice MSFT richiede circa 7-8 qubit per ogni qubit logico. Attualmente, Atom possiede 1.200 qubit, che corrispondono a circa 150 qubit logici.

La prossima generazione di macchine Atom con 100.000 qubit potrebbe ottenere 12.500 qubit logici. In precedenza, ho parlato dell’algoritmo di Shor per la fattorizzazione di numeri primi di grandi dimensioni. Fattorizzare un numero di 600 cifre, un problema che richiederebbe tutta l’energia prodotta dalla Terra e il tempo dell’esistenza dell’universo, richiederebbe 4 ore su una macchina con 12.500 qubit logici.

La nostra comprensione dei numeri grandi è limitata. Il codice di correzione degli errori di Microsoft migliora la fedeltà del qubit fisico di x800. Atom dovrà migliorare la fedeltà dei suoi qubit di x1000 affinché la combinazione di Atom e Microsoft possa offrire un computer quantistico affidabile. Quindi, stiamo parlando di un futuro ancora lontano.

Azure MSFT

In Azure, Microsoft descrive tre livelli di calcolo quantistico: Fondamentale, Resiliente e Scalabile.

Fondamentale è lo stadio attuale, con qubit fisici rumorosi. Microsoft classifica tutti gli attuali computer quantistici come fondamentali, ma ha integrato molte di queste macchine sulla piattaforma Azure per sperimentazioni, permettendo ai clienti di prepararsi per il prossimo livello. Sono disponibili macchine di IONQ, Pasqual, Quantinuum, QCI e Rigetti.

Il secondo stadio prevede qubit logici stabili che possono rimanere privi di errori per tutta la durata del calcolo. Più a lungo un qubit logico è stabile, più grandi e complessi saranno i problemi che può risolvere. Il nuovo codice di correzione degli errori di Microsoft ci avvicina a questo secondo stadio e attendo con interesse ulteriori informazioni da Microsoft che potrebbero suggerire che il secondo stadio sia stato raggiunto.

Lo stadio finale sarà quello scalabile, quando il computer avrà un gran numero di qubit logici affidabili e potrà iniziare a risolvere alcuni dei problemi più difficili disponibili. Man mano che Microsoft compie progressi, li aggiunge a Quantum Azure per i clienti da esplorare, il che attirerà costantemente nuovi clienti nell’ecosistema Quantum Azure.

Al momento, Azure è la piattaforma di calcolo quantistico più avanzata disponibile. Il suo supercomputer ibrido end-to-end AI-Quantum è, a mio avviso, il migliore disponibile per un margine considerevole, probabilmente l’unico disponibile con un’ampia portata e sicuramente l’unico in rilascio generale.

I qubit logici sviluppati sulla macchina di Quantinuum sono stati utilizzati per risolvere il problema dell’energia dello stato fondamentale. Inoltre, il pacchetto di chimica computazionale che ha utilizzato la piattaforma end-to-end è stato aggiunto alla toolkit quantistica ed è disponibile tramite il programma di anteprima privata degli elementi quantistici di Microsoft.

L’Anteprima Privata degli elementi quantistici è progettata per promuovere l’adozione di Azure Quantum, utilizza Copilot AI per migliorare la curva di apprendimento e sviluppare algoritmi quantistici per le esigenze dei clienti.

Vanta una riduzione del tempo necessario per avviare i progetti e l’opportunità di utilizzare decine di milioni di materiali nei calcoli basati sull’IA, accelerando le simulazioni chimiche fino a 500.000 volte.

Le implicazioni future

Il potenziale di questi progressi è enorme. Con l’integrazione di qubit più affidabili e l’accesso a una piattaforma scalabile come Azure, Microsoft potrebbe ottenere un vantaggio competitivo significativo rispetto ad aziende come Amazon, che domina il mercato del cloud con AWS. Gli analisti prevedono una crescita esponenziale per Azure nei prossimi anni, soprattutto se Microsoft continuerà a sviluppare la sua offerta quantistica.

L’industria del calcolo quantistico è ancora nelle fasi iniziali, ma il potenziale di crescita è notevole. Alcuni analisti prevedono un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 30%, con un mercato che potrebbe raggiungere i 190 miliardi di dollari nei prossimi 20 anni.

Conclusioni

Il rischio maggiore potrebbe essere ciò che non conosciamo. Abbiamo ricerche da IBM, ma poche da META, Amazon o Oracle, e nulla dalle aziende tecnologiche cinesi.

Sappiamo che Microsoft è avanti secondo le pubblicazioni, ma non conosciamo i progressi non divulgati. Un altro problema è che tutto questo è ancora teorico. Microsoft ha fatto un grande passo avanti, ma serviranno molti altri passi per garantire il successo del quantum.

Dovremo vedere miglioramenti nella fedeltà dei qubit per consentire la correzione degli errori su milioni di operazioni al secondo, e poi tutto dovrà essere scalato. Microsoft ha dimostrato di avere il software per creare qubit logici molto accurati, ma non ha ancora dimostrato di poter scalare i computer quantistici abbastanza da fare una differenza significativa o sviluppare qubit con sufficiente fedeltà per sfruttare appieno il suo software di qubit logici. I

l lavoro di Microsoft sui qubit topologici è promettente e potrebbe offrire qubit fisici con la massima fedeltà, ma non possiamo esserne assolutamente certi.

Microsoft sembra essere in vantaggio nella corsa per lo sviluppo di computer quantistici su larga scala. Grazie alla sua ricerca avanzata sui qubit topologici e alla collaborazione con Quantinuum, l’azienda ha dimostrato di poter creare i qubit logici più affidabili mai visti, avvicinandosi a quella che potrebbe essere una rivoluzione tecnologica.

Se riuscirà a mantenere questo ritmo di innovazione, Microsoft potrebbe consolidare il suo ruolo di leader nel calcolo quantistico per i prossimi decenni.