Il premio Nobel afferma che costruirà il computer quantistico più potente del mondo

John Martinis è un ragazzo dell’hardware. Preferisce le sfumature dello studio della fisica in laboratorio piuttosto che il mondo idealizzato dei libri di testo. Ma non si possono scrivere libri di storia dell’informatica quantistica senza di lui: è stato al centro di due dei momenti più importanti del settore. Ed è al lavoro per inseguire il prossimo.

Tutto è iniziato negli anni ’80, quando Martinis e i suoi colleghi hanno condotto una serie di esperimenti per sondare ciò che si sapeva sugli effetti quantistici – per questo lavoro hanno vinto il Premio Nobel l’anno scorso. Quando era uno studente laureato all’Università della California, a Berkeley, sapevamo che le particelle subatomiche erano soggette a effetti quantistici, ma la domanda era se il mondo della meccanica quantistica potesse espandersi su scale più grandi.

Martinis e i suoi colleghi hanno costruito e studiato circuiti costituiti da una miscela di superconduttori e isolanti, dove si è scoperto che più particelle cariche all’interno del circuito si comportavano come se fossero un’unica particella quantistica. Questa era la quantistica macroscopica e gettò le basi per la costruzione di alcuni dei computer quantistici più potenti oggi, compresi quelli attualmente supportati da IBM e Google. In effetti, il lavoro di Martinis ha messo in moto una tendenza dei giganti della tecnologia che utilizzano bit quantistici, o qubit, realizzati da circuiti superconduttori, i qubit più utilizzati oggi al mondo.

La seconda volta che Martinis ha dato una scossa al campo, era alla guida del team di ricercatori di Google che ha costruito un computer quantistico che ha raggiunto per la prima volta la “supremazia quantistica”. Per quasi cinque anni è stato l’unico computer al mondo, quantistico o meno, in grado di verificare l’output di circuiti quantistici casuali. Successivamente è stato migliorato dai computer classici.

Ora, vicino ai 70 anni, Martinis pensa di poter ottenere un’altra vittoria storica con un qubit superconduttore. Nel 2024, ha co-fondato QoLab, una società di informatica quantistica che, dice, adotterà un approccio fondamentalmente nuovo per cercare di creare ciò che tutti gli altri nel campo stanno inseguendo: computer quantistici veramente pratici.

Carmela Padavik-Callaghan: Hai fatto scalpore all’inizio della tua carriera realizzando alcuni lavori originali. Quando hai iniziato a capire che il tuo esperimento poteva portare a una nuova tecnologia?

John Martinis: C’era una domanda sul fatto se una variabile macroscopica potesse sfuggire alla meccanica quantistica, e io che ero giovane e imparavo la meccanica quantistica sembrava che fosse qualcosa che dovevamo testare. Forse, se fossi stato più grande, avresti semplicemente dato per scontato che la meccanica quantistica avrebbe funzionato. Ma da giovane studente sembrava un grande esperimento per testare i fondamenti della meccanica quantistica.

La prima cosa che abbiamo fatto è stata quella di allestire un esperimento molto rozzo e rapido utilizzando la tecnologia dell’epoca. Quando abbiamo raccolto i dati l’esperimento è stato un completo fallimento. Ma siamo riusciti a fallire velocemente, quindi non ha avuto importanza. Alla fine, si trattava di un esperimento in cui dovevi comprendere l’ingegneria delle microonde. Devi capire il rumore, abbiamo dovuto fare molte cose tecniche, ma dopo ciò (il successo) è successo molto velocemente.

Nei primi dieci anni successivi abbiamo condotto questi esperimenti e costruito dispositivi quantistici. Poi, la teoria dell’informatica quantistica è andata molto oltre, direi soprattutto con gli algoritmi di rumore (che tengono conto di grandi numeri per violare la crittografia), seguiti poco dopo dagli algoritmi di correzione degli errori. Ciò ha fornito una solida base per la regione. Le persone ora potevano immaginare di costruire qualcosa. Per questo motivo, il denaro è diventato disponibile.

In che modo i finanziamenti hanno cambiato la ricerca e, in definitiva, la tecnologia?

Le cose sono davvero cambiate dagli anni ’80. A quel tempo, le persone non avevano nemmeno testato se un singolo sistema quantistico potesse essere manipolato e misurato con precisione. È interessante come sono andate le cose negli ultimi 40 anni. L’informatica quantistica è diventata un campo enorme! La cosa più orgogliosa di tutto questo è che ci sono così tanti fisici che ora lavorano per comprendere la meccanica quantistica di questi sistemi superconduttori e per costruire computer quantistici.

Hai dato una mano agli albori dell’informatica quantistica. In che modo questo vi aiuta a capire dove sta andando il settore adesso?

Facendo parte di questo campo per tutto il tempo, capisco i principi di base della fisica. Ho costruito la prima elettronica a microonde per (dispositivi quantistici) nel mio gruppo presso l’Università della California, a Santa Barbara, e poi presso Google, ho costruito i miei criostati (dispositivi che mantengono i computer quantistici superconduttori raffreddati alle temperature estremamente fredde di cui hanno bisogno per funzionare). Sono stato coinvolto nella creazione di ogni elemento. Penso che molte persone, se non hanno attraversato tutto questo, saranno semplicemente ottimiste sul fatto che continueremo ad andare avanti. So dove sono tutti i problemi. Se vuoi costruire un sistema informatico molto complesso, è tutto ingegneria dei sistemi, e penso che uno dei vantaggi che ho in questo sia che capisco molto bene la fisica di base di tutto.

Come pensi che dovrebbe cambiare l’hardware del calcolo quantistico per rendere i computer quantistici utili e pratici? Su quali cambiamenti scommetti come inizio della prossima svolta?

Dopo aver lasciato Google, ho pensato ai computer quantistici come un intero sistema e ho riconsiderato tutti i principi di base di ciò che esattamente dobbiamo costruire e migliorare. QoLab si basa su questo, con cambiamenti piuttosto drammatici nel modo in cui realizziamo i qubit (in termini di tecniche di produzione) e nel modo in cui mettiamo insieme il tutto, soprattutto nel cablaggio.

Ci siamo resi conto che per rendere la tecnologia affidabile e ridurre i costi bisogna pensare in modo completamente diverso alla costruzione di un computer quantistico. È sempre più difficile per le persone capire. Abbiamo affrontato una quantità sorprendente di opposizione e scetticismo, ma dalla mia esperienza di studio di fisica per diversi decenni, significa che abbiamo una buona idea.

A volte sentiamo dire che per costruire un computer quantistico privo di errori che sia davvero utile, sarebbe necessario un numero molto elevato di qubit, nell’ordine di milioni. Come ci arrivi?

Per quanto riguarda la più grande rivoluzione a cui stiamo assistendo, riguarda la produzione e, in particolare, la produzione di chip quantistici, che è anche la parte più difficile. Se guardi cosa stanno facendo tutti gli altri – Google, IBM, Amazon e molte altre aziende – stanno usando tecniche di produzione che sono, non so, come quelle degli anni ’50 o ’60. Non conosco (nessun altro settore che) realizzi circuiti reali in questi modi al giorno d’oggi. Quindi, il nostro pensiero è che, se vuoi realizzare un milione di qubit e renderli affidabili, potresti voler fare qualcos’altro.

Siamo molto entusiasti di come possiamo cambiare radicalmente il modo in cui questi dispositivi vengono prodotti. E abbiamo un’architettura per i chip che può aiutare a eliminare tutti i cavi. Se guardi l’immagine di un computer quantistico (superconduttore), è solo una giungla di fili e componenti a microonde. Voglio avere tutte queste cose in un chip ed essere in grado di scalarlo. Nei qubit superconduttori il grosso problema è il cablaggio e stiamo lavorando per risolverlo.

Pensi che tra cinque anni ci sarà un chiaro vincitore nella corsa per un computer quantistico pratico?

Esistono molti modi diversi in cui le persone cercano di costruire computer quantistici e, dato che i vincoli dell’ingegneria dei sistemi sono così difficili, penso che sia positivo affrontare questo problema in molti modi diversi. Penso che sia positivo che vengano finanziate molte idee diverse, perché così le persone hanno maggiori possibilità di successo. Ma mentre penso a questi vincoli, e ce ne sono molti, direi che in generale molti progetti sono un po’, direi solo, limitati da ciò che effettivamente serve per realizzarli, come la gestione dei costi o la produzione di massa di dispositivi. D’altra parte, sono sicuro che molti gruppi di ricerca hanno idee per affrontare alcuni dei loro problemi di progettazione di cui non parlano pubblicamente.

E il piano aziendale di QoLab, penso, è leggermente diverso, forse anche unico, in quanto stiamo abbracciando la collaborazione perché pensiamo di aver bisogno di tutta l’esperienza. Stiamo lavorando con aziende di hardware che sanno come scalare e come realizzare una produzione sofisticata.

Se domani qualcuno ti regalasse un computer quantistico molto grande e a prova di errore, cosa proveresti per primo?

Sono davvero interessato a utilizzare i computer quantistici per risolvere problemi di chimica quantistica e materiali quantistici. Ci sono alcuni articoli recenti sull’utilizzo per aiutare (estrarre informazioni più utili) esperimenti di risonanza magnetica nucleare (NMR) in chimica e mi piace molto come applicazione introduttiva. Questo problema quantistico è difficile da risolvere sui supercomputer classici a causa delle difficoltà fondamentali della meccanica quantistica. Ma, naturalmente, questo problema viene sostanzialmente risolto con i computer quantistici: stai semplicemente mappando un problema quantistico su un computer quantistico. Posso esserne entusiasta, in parte perché mi piace avere idee fisse su come realizzare (un dispositivo) e chiedere alle persone di sviluppare algoritmi fissi per farlo (applicazioni come il miglioramento dell’NMR).

Molte persone probabilmente lo considereranno come qualcosa che ha a che fare con problemi di ottimizzazione e intelligenza artificiale quantistica. Per me è più un “provalo e vedi se funziona”. Il principio alla base delle applicazioni dei materiali e delle applicazioni chimiche è molto più definito. Sappiamo quanto devono essere grandi i computer quantistici. Penso che quella macchina sia qualcosa che possiamo costruire sia in termini di dimensioni che di velocità di esecuzione.

Alcuni potenziali usi dei computer quantistici sono stati determinati matematicamente più di 30 anni fa. Perché non sono ancora diventati realtà?

Puoi astrarre il comportamento di un qubit e immaginare come costruire un computer quantistico, e questo è fantastico, perché così puoi convincere informatici, matematici e teorici a pensarci. Ma il vero problema qui è che i qubit reali hanno fonti di rumore (come il calore proveniente da stringhe esterne o impurità nel materiale stesso del qubit) e problemi che sono cose fisiche. Ci sono molti grandi sforzi di calcolo quantistico condotti dai teorici, il che va bene, ma il sistema reale è molto più complesso, così come quello che devi fare per costruire hardware che possa funzionare correttamente.

Nel gruppo di John Clark (il mio relatore universitario) ho ricevuto una formazione sulla comprensione del rumore. Questo tipo di background è stato davvero vantaggioso per me e per le persone con cui ho lavorato, perché pensavamo ai qubit in questo modo fisico, cercando di eliminare i meccanismi di rumore fisico che rendono i chip inaffidabili. Questo è quello che è successo con l’esperimento sulla supremazia quantistica; (Parte del rumore deriva dal fatto che) hai questi “stati a due livelli” che hai nel tuo dispositivo e lo gestisci per evitarli. Puoi farlo funzionare, ma è una vera seccatura e rende difficile la scalabilità. La mia speranza è che (ora) ci liberiamo di questo effetto o lo riduciamo. Per capirlo bisogna entrare nei dettagli della progettazione del qubit.

Il problema è che bisogna avere sia l’hardware che le idee per le applicazioni, e penso che dobbiamo migliorare notevolmente l’hardware su tutta la linea. Quindi è quello su cui mi sto concentrando.