La corsa verso computer quantistici realmente utilizzabili non si gioca soltanto sul numero di qubit o sulle prestazioni dei processori. Uno dei problemi più difficili è costruire l'infrastruttura capace di ospitare, raffreddare e collegare un numero crescente di chip quantistici senza rendere ingestibile l'intero sistema.
IBM ha appena superato una delle tappe ingegneristiche di questo percorso. Nei laboratori di Yorktown Heights l'azienda è riuscita a collegare due nuovi moduli criogenici e a farli funzionare come un unico ambiente, portandoli a una temperatura inferiore a 15 millikelvin: circa 0,015 gradi sopra lo zero assoluto, oltre 180 volte più freddo dello spazio profondo. L'esperimento prepara il terreno per IBM Quantum Starling, il sistema con il quale l'azienda punta a realizzare nel 2029 il suo primo computer quantistico su larga scala fault-tolerant, cioè capace di correggere gli errori tipici delle attuali elaborazioni quantum e che rappresentano l’ostacolo maggiore allo sviluppo di sistemi funzionanti.
Il problema non è costruire un frigorifero più grande
Gli attuali computer quantistici superconduttori utilizzano grandi criostati, riconoscibili dalla struttura cilindrica e dai diversi livelli sui quali scendono cavi e componenti verso il processore. Aumentare le dimensioni del computer semplicemente costruendo criostati sempre più grandi presenta però limiti pratici. Migliaia di qubit richiedono migliaia di connessioni, insieme all'elettronica necessaria per controllarli e far comunicare differenti processori. IBM cerca di aggirare il problema seguendo una strada modulare.
I primi due moduli collegati misurano complessivamente oltre 2,4 metri sia in altezza sia in larghezza e durante i test il sistema ha raggiunto congiuntamente i 4 Kelvin, la temperatura dell'elio liquido, in meno di cinque giorni, scendendo successivamente sotto i 15 millikelvin.
La caratteristica più importante non riguarda però soltanto la capacità di raffreddamento. Ogni modulo dispone di una camera a vuoto che offre fino a dodici volte più spazio per il cablaggio rispetto ai sistemi quantistici IBM oggi maggiormente utilizzati. Questo spazio servirà per aumentare drasticamente il numero delle connessioni tra i chip e, soprattutto, tra processori collocati in moduli criogenici differenti.
Tanti processori per costruire un solo computer quantistico
La nuova architettura utilizza moduli con una struttura simile a un box, progettati per essere installati uno accanto all'altro. L'obiettivo è quindi molto diverso dal semplice aumento delle dimensioni del singolo criostato: IBM vuole rendere modulare anche l'infrastruttura fisica del computer quantistico.
A collegare i processori dovrebbe essere una tecnologia proprietaria chiamata L-coupler, che permette a chip quantistici distinti di scambiarsi informazioni e funzionare come parti di un sistema più grande. È un passaggio fondamentale della roadmap IBM. Entro il 2027 l'azienda prevede di utilizzare gli L-coupler per collegare diversi processori e costruire un sistema con almeno 1.000 qubit programmabili. I nuovi moduli criogenici non resteranno quindi a lungo vuoti. Entro la fine del 2026 IBM prevede di installarvi i processori Quantum Nighthawk, così da iniziare una nuova fase di test e validazione dell'architettura. Quando arriverà Starling, previsto per il 2029, l'obiettivo è che ogni singolo modulo criogenico possa ospitare migliaia di qubit.
Dal record di qubit all'ingegnerizzazione del sistema
Per le aziende, naturalmente, l'annuncio non significa che il quantum computing fault-tolerant sia improvvisamente pronto per entrare nei data center. Il 2029 rimane un obiettivo della roadmap IBM e il raggiungimento di una temperatura criogenica non equivale alla dimostrazione di un computer quantistico fault-tolerant funzionante.
Il valore dell'annuncio è piuttosto un altro. Dopo anni nei quali la competizione quantistica è stata raccontata soprattutto attraverso il numero dei qubit dei singoli processori, il settore sta entrando in una fase nella quale diventano determinanti problemi di system engineering: collegare processori differenti, controllare migliaia di qubit, gestire il cablaggio, correggere gli errori e mantenere l'intero sistema alle temperature necessarie.
È un'evoluzione non troppo diversa da quella attraversata dal computing tradizionale: superata una certa scala, non basta più costruire un chip più grande. Bisogna imparare a far lavorare insieme molti chip come se fossero un'unica macchina. IBM sta cercando di applicare questo principio al quantum computing, e i due enormi box appena raffreddati a pochi millesimi di grado dallo zero assoluto sono, per ora, uno dei pezzi fisici più concreti della strada che dovrebbe portare a Starling.