Amazon Web Services (AWS) ha ufficialmente presentato Ocelot, il suo primo processore quantistico (QPU), segnando un passo strategico nel campo del calcolo quantistico. L’annuncio, supportato da una pubblicazione sulla prestigiosa rivista Nature, non si concentra sul numero di qubit, ma su un’architettura radicalmente diversa, progettata nativamente per affrontare la sfida più critica del settore: la correzione dell’errore quantistico (Quantum Error Correction, QEC) con un’efficienza hardware superiore.
Contesto competitivo e strategia di AWS
L’ingresso di AWS con un proprio hardware si inserisce in un panorama tecnologico estremamente competitivo. Avviene a breve distanza dalla presentazione del chip “Majorana 1” di Microsoft, basato su qubit topologici, e si differenzia nettamente dagli approcci di Google e IBM, che si basano principalmente su architetture a qubit superconduttori di tipo transmon.
La strategia di AWS, come esplicitato da Oskar Painter, Direttore Quantum Hardware di AWS, è stata quella di non adattare a posteriori la correzione d’errore a un’architettura esistente. Al contrario, l’intero stack, dalla scelta del qubit alla progettazione del processore, è stato concepito con la QEC come requisito fondamentale. Questo approccio mira a superare l’ostacolo principale che impedisce la transizione dagli attuali computer quantistici rumorosi su scala intermedia (NISQ – Noisy Intermediate-Scale Quantum) a macchine fault-tolerant su larga scala, capaci di eseguire algoritmi complessi e utili.
L’architettura ibrida di Ocelot: Cat Qubit e Transmon
Il chip Ocelot è un dispositivo prototipale da 9 qubit che implementa un’architettura ibrida, combinando due tipi diversi di qubit superconduttori su un singolo chip di silicio:
- Qubit di stato “Gatto” (Cat Qubits): Cinque dei nove qubit sono di questo tipo. Il nome deriva dal celebre paradosso del gatto di Schrödinger, in quanto questi qubit codificano l’informazione quantistica in sovrapposizioni di stati coerenti di un oscillatore armonico. Fisicamente, sono realizzati come cavità risonanti tridimensionali in tantalio, un materiale superconduttore, che contengono e manipolano fotoni a microonde. Il loro ruolo primario in Ocelot è quello di memorizzare l’informazione quantistica.
- Qubit a Transmon: I restanti quattro qubit sono transmon, circuiti superconduttori più convenzionali. In questa architettura, non agiscono come unità di calcolo primarie, ma svolgono la funzione di qubit ausiliari per monitorare e misurare lo stato dei cat qubit, essenziali per l’implementazione dei protocolli di correzione d’errore.
Questa architettura ibrida è il cuore dell’innovazione di AWS.
Il vantaggio nella correzione d’errore quantistico (QEC)
Qualsiasi sistema quantistico è soggetto a due tipi fondamentali di errori: i bit-flip (errore X), analoghi agli errori nei bit classici (uno 0 diventa un 1), e i phase-flip (errore Z), un tipo di errore puramente quantistico legato alla fase dell’onda di probabilità del qubit.
Il vantaggio fondamentale del design di Ocelot risiede nella natura stessa dei cat qubit. La loro struttura fisica e gli stati energetici in cui codificano l’informazione rendono gli errori di tipo bit-flip estremamente rari. L’architettura è progettata per avere un canale di errore fortemente asimmetrico, in cui gli errori di fase sono predominanti.
Questa asimmetria permette di utilizzare un codice di correzione d’errore molto più semplice ed efficiente. Invece di dover proteggere simultaneamente da entrambi i tipi di errore, il sistema può concentrarsi quasi esclusivamente sulla correzione dei phase-flip. I benefici sono significativi:
- Riduzione dell’Overhead Hardware: AWS sostiene che questo approccio possa ridurre di un ordine di grandezza (fino a 10 volte) il numero di qubit fisici necessari per creare un singolo qubit logico (un’unità di informazione protetta dagli errori), rispetto a schemi come il codice di superficie utilizzato da Google.
- Efficienza delle Operazioni: I ricercatori di AWS hanno dimostrato che l’implementazione di un’operazione a due qubit fondamentale per la QEC, il gate C-NOT (Controlled-NOT), non introduce un numero sproporzionato di errori di bit-flip. Ciò garantisce che l’efficienza del codice di correzione si mantenga durante i cicli di calcolo.
Le stime di AWS indicano una potenziale riduzione del 90% nell’attività di controllo richiesta per la QEC e una diminuzione fino a cinque volte dei costi di industrializzazione per un computer quantistico fault-tolerant.
Sviluppo, performance e prospettive future
Lo sviluppo di Ocelot, iniziato nel 2021, ha richiesto un approccio “full-stack”, superando sfide significative anche a livello di scienza dei materiali, come la crescita epitassiale di film di tantalio di alta qualità su substrati di silicio per minimizzare i difetti a livello atomico, cruciali per la coerenza dei qubit.
Allo stato attuale, Ocelot è una dimostrazione di principio, principalmente una memoria quantistica con capacità di correzione d’errore. È la prova che l’architettura è scalabile ed efficiente. Il prossimo passo per AWS consisterà nell’aumentare il numero di qubit sul chip per codificare più qubit logici ed eseguire calcoli complessi. Le sfide ingegneristiche rimangono notevoli, in particolare per quanto riguarda il cablaggio e l’interconnessione di più chip in un sistema più grande.
Conclusioni
Il debutto di Ocelot non rappresenta un record nel numero di qubit, ma una scommessa strategica su un’architettura progettata per l’efficienza nella correzione degli errori. Privilegiando i cat qubit, AWS si posiziona con un approccio distintivo che, se dimostrerà di essere scalabile, potrebbe accelerare significativamente il percorso verso computer quantistici pratici e commercialmente utili. Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nell’ingegnerizzazione di qubit intrinsecamente resilienti a specifici tipi di rumore, un passo fondamentale verso la realizzazione delle promesse del calcolo quantistico.
