Immaginate di dover risolvere un enigma talmente complesso che persino il supercomputer più veloce al mondo impiegherebbe 2,5 miliardi di anni per completarlo. Ora immaginate un altro computer che riesce nello stesso compito in appena 200 secondi. No, non è fantascienza. È Jiuzhang, un rivoluzionario computer quantistico costruito in Cina — e sta cambiando il futuro dell’informatica.

Esploriamo cosa rende Jiuzhang così speciale — senza bisogno di un dottorato in fisica — ma prima cerchiamo di capire cos’è un computer quantistico e come funziona.

Computer quantistici

In un computer classico, l’informazione è trasportata da elettroni che scorrono nei circuiti, attivando o disattivando minuscoli interruttori che rappresentano zeri e uni.

Un “computer quantistico” è un termine generico per qualunque dispositivo che sfrutta le leggi della meccanica quantistica — in particolare la sovrapposizione e l’entanglement — per elaborare informazioni in modi impossibili per le macchine classiche. In sostanza, tutti i computer quantistici devono preparare, manipolare e misurare qubit (bit quantistici), che, a differenza dei bit normali (elettroni, quindi stati di 0 o 1), possono esistere in una sovrapposizione di 0 e 1 e possono essere correlati tra loro. Questo significa che possono trovarsi in una combinazione di stati “acceso” e “spento” contemporaneamente — fino al momento della misurazione. Questa proprietà straordinaria è ciò che conferisce ai computer quantistici la loro potenza.

All’interno di questa categoria generale, esistono molte implementazioni fisiche diverse: circuiti superconduttori (IBM, Google), ioni intrappolati (IonQ, Honeywell), atomi neutri (QuEra), spin del silicio (Intel, Oxford) e fotoni (Xanadu, Jiuzhang dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, USTC). Un computer quantistico fotonico è semplicemente un computer in cui i qubit sono trasportati da fotoni — singole particelle di luce — invece che da correnti elettriche o livelli energetici atomici.

Computer quantistici fotonici

Per utilizzare i fotoni nel calcolo, i ricercatori iniziano generando fotoni singoli su richiesta. Speciali sistemi laser e cristalli non lineari producono un flusso continuo di fotoni, ciascuno generato in uno stato quantistico noto. Questi fotoni vengono poi inviati attraverso una rete di specchi, divisori di fascio e sfasatori — componenti ottici che ne modificano i percorsi e le fasi. Quando un fotone colpisce un divisore di fascio, per esempio, non sceglie semplicemente un percorso piuttosto che l’altro; entra invece in una sovrapposizione di entrambi i percorsi contemporaneamente. Gli sfasatori regolano il tempo relativo dei percorsi, modificando il modo in cui questi interferiscono tra loro.

Questa rete di componenti ottici è analoga a un circuito di porte in un computer classico. Ma invece di eseguire semplici operazioni vero/falso, il circuito fotonico realizza trasformazioni più complesse e reversibili sullo stato quantistico dei fotoni. Ogni volta che due fotoni si incontrano su un divisore di fascio, le loro ampiezze di probabilità — cioè i pesi matematici che descrivono i loro percorsi possibili — interferiscono. L’intera rete di specchi e divisori calcola di fatto un enorme schema di interferenza multidimensionale che codifica la soluzione di un problema. Misurare i fotoni alla fine del circuito fa collassare le loro sovrapposizioni in risultati definiti. Se la rete ottica è stata progettata correttamente, le statistiche di questi risultati corrispondono alla risposta cercata.

Naturalmente, ci sono sfide pratiche. I fotoni viaggiano alla velocità della luce, quindi l’elettronica di controllo deve reagire quasi istantaneamente ai segnali di misurazione per riconfigurare il circuito in tempo. Perdite nelle fibre, specchi imperfetti e inefficienze nei rivelatori possono far perdere fotoni o introdurre errori. Per costruire macchine su larga scala in grado di eseguire algoritmi quantistici complessi e multistep, saranno necessari anche sistemi di correzione quantistica degli errori — modi per codificare ogni qubit logico in molti fotoni fisici, affinché l’informazione complessiva sopravviva agli errori.

I ricercatori stanno già affrontando queste difficoltà passando dall’ottica da banco a chip fotonici integrati. Su questi chip, divisori di fascio e sfasatori sono minuscoli circuiti ottici integrati e elettrodi regolabili con tensioni. Linee di ritardo e loop integrati possono immagazzinare temporaneamente fotoni, fungendo da memoria quantistica a breve termine. I rivelatori a nanofilo superconduttore stanno diventando più rapidi ed efficienti, e sono in fase di sviluppo avanzata codici di correzione degli errori compatibili con i fotoni.

Cos’è Jiuzhang?

Jiuzhang è un computer quantistico fotonico che, nel 2020, ha fatto qualcosa di straordinario: ha risolto un problema estremamente complesso chiamato campionamento bosonico gaussiano. Si può pensare a questo compito come a un’estrazione caotica della lotteria, in cui particelle di luce rimbalzano in un labirinto e producono un pattern unico alla fine.

Questo tipo di compito è così difficile per i computer classici da risultare praticamente impossibile. Anche i supercomputer più potenti resterebbero bloccati per miliardi di anni. Ma Jiuzhang lo ha risolto in pochi minuti.

Questo momento è ciò che gli scienziati chiamano supremazia quantistica — ovvero quando un computer quantistico riesce a fare qualcosa che nessun computer tradizionale può fare.

Nel campionamento bosonico gaussiano, specialità di Jiuzhang, il pattern di “click” dei fotoni rivela direttamente campioni di una distribuzione che sarebbe incredibilmente complessa da calcolare per un computer classico. Ma lo stesso principio è alla base di qualsiasi algoritmo quantistico: si preparano i fotoni negli stati iniziali corretti, li si guida attraverso una rete programmabile che codifica il calcolo, e infine li si misura per leggere il risultato.

Il trionfo di Jiuzhang è stato dimostrare che è già possibile controllare e rilevare centinaia di fotoni in un’unica esecuzione senza perdere la coerenza quantistica. Ha mostrato che interferometri fotonici su larga scala possono essere costruiti con straordinaria stabilità e precisione. I prossimi passi — programmabilità, controllo adattivo, memoria quantistica e correzione degli errori — sono tutte aree attive di ricerca. Quando questi elementi saranno completati, i fotoni non saranno più solo i portatori di un compito quantistico speciale, ma il mezzo universale per risolvere l’intero spettro dei problemi quantistici calcolabili.

Jiuzhang 2.0 e 3.0: più grandi, migliori, più veloci

Dopo il primo successo, gli scienziati non si sono fermati. Nel 2021 hanno costruito Jiuzhang 2.0, che ha gestito un numero maggiore di fotoni e ha prodotto risultati ancora migliori. Poi, nel 2023, è arrivato Jiuzhang 3.0, capace di tracciare 255 fotoni contemporaneamente — un enorme salto rispetto all’originale.

Questa versione era 10 milioni di miliardi di volte più veloce del supercomputer classico più potente nell’affrontare lo stesso problema. È come spedire un razzo sulla Luna in un secondo invece di aspettare 300.000 anni.

Qual è il limite?

Nonostante i risultati incredibili, Jiuzhang non può fare tutto. È eccezionale in un compito specifico (il campionamento bosonico), ma non può ancora eseguire software generici come il vostro portatile o i server di Google. Pensatelo come una macchina di Formula 1 — incredibilmente veloce in pista, ma inadatta per andare a fare la spesa. Tuttavia, la tecnologia rappresenta un enorme passo verso la costruzione di computer quantistici più flessibili in futuro.

In linea di principio, una volta che si disponga di sorgenti fotoniche affidabili su richiesta, circuiti ottici completamente programmabili, controllo reattivo ultrarapido e robusta correzione degli errori, si potrà realizzare un computer quantistico fotonico universale. Sarà allora possibile tradurre qualunque algoritmo quantistico — fattorizzazione di grandi numeri, simulazione di molecole complesse, ottimizzazione di reti logistiche su larga scala — in una sequenza di operazioni ottiche. Basterà mappare ogni porta logica dell’algoritmo in una configurazione di divisori di fascio e sfasatori, iniettare il flusso di fotoni, lasciarli percorrere il circuito e misurare i risultati.