Il recap
Dopo le puntate sulle fondamenta — sovrapposizione, misura, interferenza, entanglement — è il momento di affrontare il problema numero uno del quantum computing: il rumore. Un qubit non è un bit più potente: è una grandezza continua, infinitamente sfumata, e per questo estremamente fragile. Vive solo se il sistema rimane coerente, cioè perfettamente isolato dall'ambiente. Nella pratica il rumore è ovunque: termico (per questo i superconduttori operano a 15 millikelvin), elettromagnetico, meccanico, perfino raggi cosmici e cross-talk tra qubit vicini. Tutto questo produce un effetto netto — la decoerenza — misurata da due tempi caratteristici, T₁ e T₂. Oggi siamo a qualche centinaio di microsecondi sui superconduttori IBM, qualche decina su Google Willow, fino a un secondo intero sugli ioni intrappolati Quantinuum. Tradotto in tassi di errore per gate: ~0,05% sul singolo qubit (praticamente risolto), ~0,5% sul gate a due qubit (il vero collo di bottiglia), ~1% sulla misura. La conseguenza è strutturale: aumentare il numero di qubit senza migliorarne la qualità non porta da nessuna parte. Da qui nasce la distinzione cruciale tra qubit fisico (reale, «rumoroso») e qubit logico (virtuale, costruito raggruppando centinaia o migliaia di qubit fisici tramite error correction). È la lente con cui leggere tutto il resto del settore: le roadmap, gli annunci, gli investimenti.
I concetti chiave
- Un qubit è una grandezza continua nello spazio della sfera di Bloch: anche perturbazioni minime lo spostano, mentre un bit classico (0 V o 5 V) è robusto per costruzione
- Le fonti di rumore sono molteplici e contemporanee: termico (criostati a 15 mK), elettromagnetico, vibrazioni meccaniche, raggi cosmici (documentati da Google), cross-talk tra qubit vicini
- La decoerenza è l'effetto netto del rumore: il qubit 'dimentica' la sovrapposizione e l'entanglement. Si misura con T₁ (rilassamento) e T₂ (perdita di fase), con vincolo T₂ ≤ 2T₁
- Tempi di coerenza tipici (2026): IBM Heron r3 ~200 µs, Google Willow ~60 µs, Quantinuum H2 ~1 s, Pasqal Orion ~100 ms
- Tassi di errore per gate (stato dell'arte): ~5×10⁻⁴ sul gate a un qubit (problema quasi risolto), ~4×10⁻³ sul gate a due qubit (il vero collo di bottiglia), ~10⁻² sulla misura (SPAM error)
- Budget operativo reale: con errore 0,5% per gate a 2 qubit, dopo 200 gate la probabilità di nessun errore scende sotto il 40%, dopo 500 gate sotto l'8% — algoritmi industriali richiedono 10⁹–10¹² gate
- Più qubit non basta — anzi peggiora: più superficie esposta, più gate, più cross-talk. Il successo decresce esponenzialmente come (1-p)ᴺ
- Qubit fisico vs qubit logico: oggi servono 100–1.000 qubit fisici per ogni qubit logico utile, e applicazioni industriali (Shor su RSA-2048) richiedono migliaia di qubit logici, cioè milioni di fisici
- Due strade complementari: error mitigation (oggi, NISQ — ZNE, PEC, dynamical decoupling) ed error correction (futuro — surface code, qLDPC, codici topologici)
- Threshold theorem: sotto la soglia (~1% per il surface code) l'error correction scala. Le piattaforme principali sono appena sotto la soglia: condizione necessaria ma non sufficiente, perché l'overhead in qubit fisici esplode al ridursi del margine
Perché conta
Il rumore non è una nota a margine: è la lente con cui leggere tutto il settore quantum. Quando una notizia annuncia 'chip da N qubit', la prima domanda non è 'quanti', ma 'di che qualità' e 'quanti qubit logici producono'. Per investitori, manager e ricercatori, la metrica che conta non è il conteggio dei qubit ma il tasso di errore per gate a due qubit: scendere stabilmente sotto 10⁻³ è l'evento gating per il passaggio al regime fault-tolerant. Le roadmap dei player credibili (IBM, Google, Quantinuum) parlano di 2029–2033 per le prime macchine seriamente fault-tolerant. Chi promette applicazioni industriali su NISQ senza error correction nel medio termine sta vendendo numeri.
Risorse
Glossario della puntata
Decoerenza
Processo per cui un qubit perde le sue proprietà quantistiche (sovrapposizione, entanglement) a causa dell'interazione con l'ambiente. È l'effetto netto cumulativo di tutte le fonti di rumore ed è il nemico numero uno del quantum computing.
T₁ (tempo di rilassamento)
Tempo caratteristico medio in cui un qubit eccitato (|1⟩) decade spontaneamente nello stato fondamentale (|0⟩), perdendo energia verso l'ambiente. Si misura tipicamente con sequenze di inversione e tempo variabile.
T₂ (tempo di coerenza)
Tempo caratteristico in cui il qubit perde la fase relativa tra |0⟩ e |1⟩ in una sovrapposizione. È il parametro decisivo per le operazioni quantistiche, con vincolo fisico T₂ ≤ 2 T₁.
EPG (Error Per Gate)
Probabilità media di errore su un singolo gate, misurata con tecniche come il randomized benchmarking. È la metrica operativa più importante per confrontare hardware quantistici, più informativa del solo conteggio di qubit.
Cross-talk
Disturbo indesiderato tra qubit vicini: quando si esegue un'operazione su un qubit, le onde di controllo 'sbavano' sui qubit adiacenti, perturbandoli. Cresce con la densità del chip ed è una fonte di errori correlati.
Qubit fisico
Il qubit reale implementato in hardware: imperfetto, «rumoroso», con T₂ limitato. È quello che viene contato negli annunci dei produttori (IBM, Google, Quantinuum, IonQ).
Qubit logico
Qubit 'virtuale' costruito raggruppando molti qubit fisici tramite codici di error correction. Ha una qualità molto più alta del qubit fisico sottostante. Oggi servono 100–1.000 qubit fisici per produrre un qubit logico utile.
Error mitigation
Insieme di tecniche software (ZNE, PEC, dynamical decoupling, measurement error mitigation) che riducono l'effetto del rumore senza eliminarlo fisicamente. Approccio dominante nell'era NISQ; overhead computazionale che cresce esponenzialmente con il volume del circuito.
Error correction
Approccio strutturale: codificare un qubit logico in molti qubit fisici entangled, rilevando e correggendo gli errori senza misurare l'informazione codificata. È la chiave per il quantum computing fault-tolerant; codici principali: surface code, qLDPC, color code, codici topologici.
Threshold theorem
Risultato fondamentale (Aharonov-Ben-Or 1996, Knill-Laflamme-Zurek 1998): se l'errore fisico per gate è sotto una certa soglia (~1% per il surface code), è possibile eseguire calcoli quantistici di lunghezza arbitraria con overhead polinomiale in qubit fisici.
NISQ
Noisy Intermediate-Scale Quantum: l'era attuale dei computer quantistici. Termine coniato da John Preskill nel 2018 per descrivere dispositivi di taglia media (50–1.000 qubit) ancora «rumorosi», utili per esperimenti ma non per algoritmi industriali completi.
Fault tolerance
Regime in cui un computer quantistico può eseguire calcoli arbitrariamente lunghi con probabilità di errore arbitrariamente piccola, grazie a error correction su qubit logici. Roadmap credibili (IBM, Google) lo collocano nel 2029–2033 per le prime macchine seriamente utili.
