Cos'è un qubit? (Crediti: Microsoft )È opinione comune che il settore dell’informatica quantistica sia ancora nelle primissime fasi, con la speranza di raggiungere traguardi significativi entro 5-10 anni. Questa nota di domenica mattina è una sessione di brainstorming sulla potenziale architettura futura delle macchine per il calcolo quantistico.
Prima di continuare a leggere, tenete presente che ciò che segue è solo uno sguardo ai possibili futuri, non una previsione di ciò che accadrà o dovrebbe accadere. Come disse Steve Jobs (https://www.inc.com/jeff-haden/why-steve-jobs-and-science-say-you-can-only-connect-dots-looking-backwards.html),
Non puoi unire i puntini guardando avanti. Puoi unirli solo guardando indietro. Quindi devi avere fiducia che i puntini si uniranno in qualche modo nel tuo futuro. Devi avere fiducia in qualcosa: nel tuo istinto, nel destino, nella vita, nel karma, in qualsiasi cosa. Questo approccio non mi ha mai deluso e ha fatto tutta la differenza nella mia vita.
Ritorno al futuro Evoluzioni Link to heading
Pensando agli anni ‘70, quando erano disponibili mainframe grandi e ingombranti, si può subito fare un paragone con l’aspetto dei sistemi informatici odierni. Ad esempio, ecco il confronto tra l’IBM 360/91 del 1966 e il sistema Keysight 1000-qubit installato presso il G-QuAT nel 2025.
Allora, perché non provare a immaginare come vorremmo che fosse il futuro del calcolo quantistico? Il diagramma qui sotto illustra la mia visione. L’idea è semplicemente quella di confrontare gli attuali chip di memoria, composti da una complessa memoria di bit e da un controller per accedere a tali bit, con il modo in cui i sistemi di controllo quantistico sono effettivamente implementati oggi. Ciò che potrebbe risultare controverso è che, anziché identificare il controllo del qubit come un’unità di elaborazione, lo si paragona ora a un’unità di memoria.
È così che mi sono imbattuto nel blog di Ken Shirriff (https://www.righto.com/2019/04/) sulla memoria dell’IBM S/360. Il contenuto del blog e del video è assolutamente fantastico: non avrei mai immaginato che la tecnologia della memoria si fosse evoluta così tanto. E osservare come si usano gli impulsi per “pilotare” la memoria principale mi ricorda molto le tecniche simili utilizzate per controllare e leggere le “entità” dei qubit, che d’ora in poi chiamerò “memorie di qubit”.
Naturalmente, c’è ancora molta strada da fare prima di poter pensare a un chip di silicio integrato che contenga sia qubit di silicio (o modalità simili) che elettronica di controllo. Allo stato attuale dello sviluppo, i qubit devono funzionare a temperature criogeniche per evitare interferenze ambientali: sì, i qubit sono entità “sensibili”. Inoltre, l’elettronica di controllo è di per sé molto rumorosa e genera calore, quindi non si adatta bene alla vicinanza con il qubit.
Una volta affrontata la sfida rumorosa, probabilmente con una svolta nella scienza dei materiali (si pensi alle memorie ferroelettriche o ai transistor a terahertz), l’industria dovrà quindi fare un passo avanti verso circuiti integrati integrati, con packaging avanzato, proprio come quello che viene fatto per il silicio fotonica. Non ho la pretesa di sapere come ciò accadrà, e ancor meno quando accadrà, ma se si guarda all’evoluzione dei mainframe, si può essere certi che accadrà. E una volta che ciò accadrà, si aprirà la strada all’integrazione di un elemento di calcolo quantistico in ogni singolo dispositivo elettronico.
Nota[28-10-2025]: Nel diagramma sopra riportato si presuppone implicitamente che il qubit sia basato su una modalità di tipo silicio, ma non è necessariamente così. Ad esempio, le modalità di qubit indirizzabili otticamente non presentano una sfida criogenica, bensì una sfida di scalabilità e miniaturizzazione. E ci si può certamente aspettare che si verifichino scoperte anche in queste modalità - si pensi alla RAM magnetoresistiva controllata otticamente.
Cosa rende una QRAM un “elemento quantistico”? Link to heading
Questa digressione non sarebbe interessante senza rispondere alla domanda chiave: cosa rende la Quantum RAM un “elemento quantistico” di interesse? Le memorie RAM standard, siano esse Static RAM (SRAM), Dynamic RAM (DRAM) o Synchronous Dynamic RAM (SDRAM), funzionano tutte secondo un principio molto semplice: leggere e scrivere bit in un array indirizzato da uno spazio di indirizzamento lineare.
Supponiamo che i qubit possano essere indirizzati anche tramite uno spazio di indirizzamento lineare. In questo caso, cosa rende questo array più interessante di un semplice array di “bit booleani”? Ecco alcune delle considerazioni da tenere presenti quando si pensa ai “bit quantistici”:
Crediti: Entanglement: Più qubit possono mostrare entanglement quantistico. I qubit entangled sono sempre correlati tra loro per formare un singolo sistema. Anche quando sono infinitamente distanti, misurare lo stato di uno dei qubit ci permette di conoscere lo stato dell’altro, senza bisogno di misurarlo direttamente.
Sovrapposizione: La sovrapposizione consente agli algoritmi quantistici di utilizzare altri fenomeni della meccanica quantistica, come l’interferenza e l’entanglement. Insieme, sovrapposizione, interferenza ed entanglement creano una potenza di calcolo in grado di risolvere i problemi esponenzialmente più velocemente dei computer classici.
È risaputo che l’unico concetto veramente quantistico è l’entanglement. La sovrapposizione è solo un modo per esprimere che un sistema può trovarsi in due o più stati, che sono stati noti, ma non osservati. E una volta osservati, il sistema “collassa” in un singolo stato definito. Non c’è nulla di speciale nella sovrapposizione; ciò che è speciale è il fatto che si può usare l’entanglement per “osservare” senza “misurare”, mantenendo così la proprietà quantistica dei qubit.
Quindi, che tipo di interfaccia dovrebbe esporre questa QRAM sui “qubit degli stati sovrapposti” per poter essere definita una “RAM quantistica”?
significa controllare ogni qubit individualmente con porte a singolo qubit, con “reset” come pseudo-porta.
significa controllare più qubit con porte condizionali, utilizzando l’entanglement in background.
significa leggere ciascun qubit, riducendo o “collassando” il qubit in un singolo stato definito.
Devo ammettere che questa è una prospettiva eccessivamente semplificata e ingenua contro cui i miei colleghi fisici si batterebbero con tutte le loro forze - e concordo sul fatto che sia necessario semplificare la sua equazione con l’aiuto di astrazioni migliori; devo anche ammettere che non mi piace affatto l’idea di chiamare un “array di bit quantistici” una “memoria quantistica”, ma il nome “QRAM” è così accattivante, oltre ad essere una potente metafora.
Processore vs Memoria Link to heading
Uno dei dilemmi relativi alla “metafora della memoria” è se sia effettivamente accettabile “semplificare” il Sistema di Controllo Quantistico e renderlo una parte ausiliaria della memoria. Oppure se sia necessaria una QCU (Unità di Controllo Quantistico) che, come una GPU (Unità di Elaborazione Grafica), operi sui bit quantistici, nel qual caso l’enfasi sarebbe sull’esecuzione di una sequenza di porte logiche.
Certo, si potrebbe dire che è la stessa cosa: nel primo caso, il processore non è altro che il controller all’interno dell’array di memoria. Ma da una prospettiva di architettura di sistema, ciò che è importante è sottolineare l’interfaccia esposta: nel caso della memoria, il sequenziatore di porte effettivo è la CPU/GPU e l’interazione con la QRAM si basa su porte (scrittura) e letture (lettura). Nel caso di un processore quantistico, la sequenza si trova nella QCU e l’interazione si basa su sequenze di porte. Affinché il primo funzioni, la CPU/GPU dovrebbe gestire un certo livello di co-sincronia per le porte multi-qubit.
Ampliamento Link to heading
Una delle tante sfide relative ai Quantum Bit è la scalabilità, sia in termini di quantità che di affidabilità. La quantità si riferisce alla capacità di integrare un maggior numero di qubit nello stesso chip, mentre l’affidabilità indica la capacità di creare qubit con una caratterizzazione più precisa. Ho volutamente omesso il tempo di decoerenza, poiché una decoerenza più lunga potrebbe non essere sempre vantaggiosa; ne parlerò in un prossimo documento.
Tornando all’affidabilità, vale la pena notare che oggigiorno le RAM sono dotate di ECC, ovvero codice di correzione degli errori, integrato nei controller; e anche le QRAM potrebbero beneficiare dell’integrazione di QEC, ovvero correzione degli errori quantistici, nel controller. Ciò creerebbe “memorie quantistiche affidabili”.
Ciò che apprezzo nell’astrazione dell’unità di memoria quantistica è la facilità con cui si può collegare all’evoluzione avvenuta nel settore del sequenziamento del DNA: in passato, i sequenziatori di DNA erano molto costosi, perché miravano a una perfetta corrispondenza della sequenza, una alla volta, e ci vollero ben 32 anni per sequenziare l’intero genoma umano. Ma con l’introduzione del NGS, o sequenziamento di nuova generazione, il processo si è ridotto a un solo giorno e a un costo decisamente inferiore. Il motivo: l’approccio massivo parallelo (Crediti immagine: IEEE Spectum).
Quindi, forse potremmo considerare che, una volta che saremo in grado di creare circuiti integrati QRAM, la chiave per l’affidabilità sarà consentire una ridondanza massiccia, avendo migliaia di QRAM co-confezionate, tutte con la stessa funzione, piuttosto che cercare di ottenere una singola QRAM basata su qubit logici che sia perfetta, come sta puntando ora QEC?
Conclusion Link to heading
Ecco, tra 5 anni tornerò su questo promemoria per vedere quanto di ciò che vi è scritto si sarà avverato, se qualcosa si sarà avverato!
References Link to heading
- A look at IBM S/360 core memory: In the 1960s, 128 kilobytes weighed 610 pounds
- Ferroelectric Memory Devices: How to store the information of the future?
- You Can Connect the Dots Only by Looking Backward
- Magnonic processors could revolutionise computing
- optical control for magnetoresistive RAM
- Helicity-dependent optical control of the magnetization state emerging from the Landau-Lifshitz-Gilbert equation
DrawIO diagrams used in this memo:
