Gazzetta Quantica – Volume 8
“Computer quantistici: funzionamento, stato dell’arte e prospettive”
Riassunto
I computer quantistici sfruttano le leggi della meccanica quantistica – superposizione, entanglement e interferenza – per elaborare l’informazione in modi irraggiungibili dai calcolatori classici. Dopo decenni di ricerca, nel 2025 la disciplina è entrata in una fase di rapida transizione: le dimostrazioni di correzione d’errore “oltre la soglia” e i primi processori topologici indicano che la scalabilità industriale è finalmente a portata di mano. In questo articolo ripercorriamo i principi di base, le architetture di qubit, gli algoritmi chiave, i traguardi hardware più recenti e le applicazioni emergenti, evidenziando al contempo le sfide aperte e le prospettive nel breve-medio termine.
1. Introduzione
Un bit classico può assumere solo i valori 0 o 1; un qubit invece esiste in una sovrapposizione coerente di entrambi gli stati. Grazie all’entanglement, più qubit condividono uno stato collettivo indivisibile, mentre l’interferenza permette di amplificare le traiettorie di calcolo corrette e cancellare quelle errate. L’obiettivo è ottenere vantaggi di complessità: ad esempio, fattorizzare interi in tempo polinomiale (algoritmo di Shor) o quadruplicare la velocità di ricerca in liste non ordinate (algoritmo di Grover).
2. Principî fisici in sintesi
| Principio | Effetto sul calcolo |
|---|---|
| Superposizione | Parallelismo di ampiezze: un registro n-qubit codifica 2ⁿ coefficienti complessi. |
| Entanglement | Correlazioni non classiche fra qubit, indispensabili per velocità esponenziali. |
| Interferenza | Regola di progettazione dei circuiti: porte quantistiche orchestrano fasi per accentuare gli esiti desiderati. |
| Misurazione | Collassa la funzione d’onda, fornendo bit classici; la probabilità dipende dalle ampiezze. |
3. Architetture di qubit
| Tecnologia | Aziende di riferimento | Stato 2025 |
|---|---|---|
| Superconduttori | IBM, Google, Rigetti | IBM ha presentato codici qLDPC 10× più efficienti rispetto alla surface-code classica (ibm.com); Google “Willow” opera già sotto la soglia d’errore critica (blog.google, thequantuminsider.com). |
| Ioni intrappolati | IonQ, Quantinuum | IonQ punta a 100 qubit fisici nel 2025 e 10 000 nel 2027 (ionq.com); Quantinuum ha portato la fedeltà a due qubit oltre il 99,9 % e lanciato il processore H2-56 qubit (quantinuum.com, quantinuum.com). |
| Atomi neutri | Pasqal, QuEra | Pasqal ha in roadmap un QPU da 250 qubit specifico per “quantum advantage” entro il 2026 (pasqal.com). |
| Fotoni | PsiQuantum, Xanadu | PsiQuantum prosegue l’approccio silicio-fotone con il chipset “Omega” integrabile in fonderie CMOS (psiquantum.com). |
| Spin in silicio | Intel, Silicon Quantum Computing | Compatibilità con la microelettronica, ma qubit ancora nell’ordine delle decine. |
| Topologici | Microsoft | Il chip “Majorana 1” dimostra i primi qubit topologici protetti nativamente dal rumore (azure.microsoft.com, news.microsoft.com). |
4. Algoritmi e funzioni chiave
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Algoritmi “provati”
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Shor (factoring), HHL (sistemi lineari), Grover (ricerca).
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Velocità esponenziale/polilogaritmica rispetto ai metodi classici.
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NISQ & ibridi
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VQE e QAOA per chimica quantistica e ottimizzazione combinatoria.
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Tecniche di error mitigation (zero-noise extrapolation, probabilistic error cancellation).
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Apprendimento quantistico
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Kernel methods, quantum-enhanced feature spaces, modelli generativi (QVAE, QGAN).
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5. Stato dell’arte 2025
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Correzione d’errore oltre il “break-even”: il codice qLDPC di IBM riduce di un ordine di grandezza l’overhead qubit, aprendo la strada a circuiti con miliardi di porte (ibm.com).
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Riduzione degli errori fisici: Willow di Google ha superato la soglia del 1 % per qubit logici, dimostrando che la vita media di un qubit logico è già il doppio di quella di un singolo qubit fisico (blog.google, thequantuminsider.com).
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Topological first: Majorana 1 di Microsoft promette qubit intrinsecamente protetti, possibile salto di affidabilità verso la soglia del milione di qubit logici (azure.microsoft.com, news.microsoft.com).
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Scaling roadmap: IonQ annuncia sistemi da 100 qubit fisici (Tempo) nel 2025, 10 000 nel 2027 e 2 M nel 2030 (ionq.com).
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Fedeltà record: Quantinuum introduce gate con 99,9 % di fedeltà su tutte le coppie di qubit di un processore commerciale (quantinuum.com, quantinuum.com).
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Quantum communication: dimostrata la prima video-conferenza QKD trans-frontaliera tra Grecia, Austria e Spagna all’interno di EuroQCI (maggio 2025) (hellasqci.eu).
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Sicurezza post-quantum: NIST pubblica le prime tre norme PQC (CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, SPHINCS+) (nist.gov).
6. Funzioni e casi d’uso
| Settore | Vantaggio atteso | Stato 2025 |
|---|---|---|
| Chimica & farmaceutica | Simulazione esatta di molecole, catalizzatori, materiali complessi | VQE su ~100 qubit logici già competitivo per cluster di legame idrogeno. |
| Ottimizzazione industriale | Routing, logistica, portfolio design | QAOA testato in produzione su IonQ e Quantinuum con poche decine di qubit logici. |
| Machine Learning | Feature map ad alta dimensione, generazione dati | Kernel quantistici ibridi integrati nei flussi di MLOps. |
| Sicurezza & crittografia | QKD, standard PQC, random number generation | Pilota EuroQCI in sei Paesi UE, draft standard NIST rilasciati. |
7. Sfide ancora aperte
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Decoerenza: tempi di coerenza millisecondi (ioni) vs microsecondi (superconduttori); serve ridurre il ciclo clock per compensare.
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Overhead di correzione: nonostante gli avanzamenti, occorrono centinaia di qubit fisici per ognuno logico.
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Scalabilità ingegneristica: packaging criogenico 3D, fotonica integrata, cablaggio (QCCD).
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Software e talenti: necessità di compilatori ottimizzati, astratti dai dettagli hardware; carenza mondiale di quantum engineers.
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Energia & sostenibilità: criostati a diluizione < 20 mK richiedono ~10 kW di potenza elettrica per pochi milliwatt di raffreddamento utile.
8. Approfondimento tecnico: come “funziona” un computer quantistico
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Codifica dello stato
|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, con |α|² + |β|² = 1. -
Circuito quantistico
Sequenza di porte elementari (X, Y, Z, H, T, CNOT…) implementate via impulsi microonde, laser o modulazione fotonica. -
Evoluzione unitaria
Ogni porta è una matrice unitaria U; l’intero circuito realizza U_total = Π U_i. -
Lettura
Misura projectiva; si collassa su 0/1 con probabilità dato da |α|²/|β|². -
Error correction
Syndromi misurate su qubit ancilla intercettano bit-flip e phase-flip senza distruggere lo stato. -
Feedback classico
I risultati intermedi influenzano l’evoluzione successiva (circuiti feed-forward), elemento chiave per algoritmi complessi (surface code, magic-state distillation).
9. Prospettive 2025-2030
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Roadmap hardware – IBM mira a 100 000 qubit fisici entro il 2033; Microsoft a un milione di qubit logici topologici entro il 2030; IonQ e Quantinuum puntano invece sulla fedeltà > 99,99 % per ridurre il fabbisogno di qubit totali.
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Quantum advantage utile – atteso nei prossimi 2-4 anni per problemi ristretti di chimica computazionale e finanza quantitativa.
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Standardizzazione – completamento delle norme PQC nel 2025-26; prima rete EuroQCI operativa nel 2027.
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Hybrid cloud – crescente integrazione fra GPU/TPU classiche e QPU via API (Qiskit Runtime, Azure Quantum).
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Talent pipeline – corsi di laurea magistrale in Quantum Engineering attivati in oltre 60 università a livello globale.
10. Conclusioni
Il 2025 segna un punto di flesso: dalla “curiosità scientifica” alla ingegneria di sistema. Le dimostrazioni di correzione d’errore sotto soglia, i primi qubit topologici funzionanti e l’avanzamento delle architetture a ioni e atomi neutri indicano che la scalabilità è ora un problema di esecuzione industriale più che di principio. Al tempo stesso, l’ecosistema software e normativo sta maturando, preparando il terreno a un decennio in cui il quantum advantage potrà diventare un vantaggio economico concreto.
Glossario essenziale
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Qubit – unità base d’informazione quantistica
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Fidelity – probabilità che un’operazione produca lo stato atteso
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qLDPC – quantum Low Density Parity Check, famiglia di codici di correzione
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NISQ – Noisy Intermediate-Scale Quantum, generazione attuale di dispositivi
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QKD – Quantum Key Distribution, distribuzione di chiavi crittografiche protetta dalle leggi della fisica
Articolo curato dalla redazione di Gazzetta Quantica. Per domande di approfondimento, segnalazioni o collaborazioni, contattateci alla nostra casella editoriale.fformisano55@gmail.com
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