Quantinuum Helios: come funziona il primo computer quantistico ‘pratico’

I computer quantistici stanno transitando dal laboratorio alla realtà industriale, promettendo di risolvere problemi che nemmeno i supercomputer più potenti del mondo potrebbero affrontare in tempi ragionevoli. Finora questa promessa è rimasta in gran parte teorica: le macchine esistenti disponevano di pochi qubit, gli “atomi di informazione quantistica”, e soffrivano di errori troppo frequenti per essere realmente affidabili.

Con Helios, l’ultimo sistema sviluppato da Quantinuum, le cose sembrano cambiare radicalmente. Per la prima volta, un computer quantistico raggiunge livelli di precisione, stabilità e programmabilità tali da renderlo utilizzabile per applicazioni concrete in settori come la chimica, i materiali avanzati, la finanza e l’intelligenza artificiale.

Helios non è soltanto più potente: è costruito in modo diverso. Mentre altri approcci tentano di “forzare” la fisica classica per imitare il comportamento quantistico — ad esempio congelando circuiti superconduttori a temperature prossime allo zero assoluto — Quantinuum ha scelto di lavorare direttamente con atomi reali, controllandoli e spostandoli con una precisione mai raggiunta prima.

Quantinuum è una delle principali aziende al mondo nel settore del calcolo quantistico, nata dalla fusione tra il colosso industriale Honeywell Quantum Solutions e la società di software quantistico Cambridge Quantum.

Dal bit al qubit: perché il calcolo quantistico è diverso

Nel mondo classico, un bit può assumere solo due stati: 0 o 1. Tutti i computer, dagli smartphone ai supercomputer, elaborano l’informazione combinando miliardi di bit. Nel mondo quantistico, invece, entra in gioco una proprietà della materia chiamata sovrapposizione: un qubit può essere contemporaneamente 0 e 1 fino al momento della misura. Se un bit classico è come una moneta poggiata su testa o croce, un qubit è una moneta in rotazione, fino a quando non la osservi, è potenzialmente entrambe le cose.

La sovrapposizione quantistica, insieme all’entanglement (una connessione istantanea tra più qubit), permette di elaborare enormi quantità di informazioni in parallelo. Con 𝑛 qubit, un computer quantistico può rappresentare 2ⁿ stati contemporaneamente. Con soli 30 qubit, la macchina manipola già più stati di quanti ne possa gestire qualunque supercomputer tradizionale.

Ma c’è un problema: i qubit sono estremamente delicati. Qualsiasi vibrazione, variazione termica o interferenza elettromagnetica può “rompere” la sovrapposizione e introdurre errori. È qui che nasce la grande sfida del calcolo quantistico: mantenere la coerenza e ridurre gli errori.

Il chip Quantinuum Helios genera minuscoli campi elettromagnetici per intrappolare singoli ioni atomici sospesi sopra la sua superficie, che vengono poi utilizzati per eseguire i calcoli. Al suo interno si trova la prima giunzione ionica commerciale al mondo, un’innovazione che rappresenta un enorme passo avanti nell’architettura dei computer quantistici e apre la strada a una scalabilità reale. Fonte dell’immagine: Quantinuum.

Diverse strade per un sogno comune

Le principali aziende al mondo impegnate in progetti di computing quantistico hanno scelto strategie diverse per realizzare qubit stabili e controllabili:

• Superconduttori (IBM, Google, Rigetti): utilizzano minuscoli circuiti elettrici raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Sono molto veloci, ma difficili da produrre in modo uniforme e sensibili al rumore.
• Qubit fotonici (PsiQuantum, Xanadu): si basano su singoli fotoni manipolati da circuiti ottici. Promettono grande scalabilità, ma sono ancora lontani da un controllo accurato delle interazioni tra fotoni.
• Spin elettronici o semiconduttori (Intel, Silicon Quantum): sfruttano elettroni intrappolati in materiali semiconduttori. Hanno il vantaggio della compatibilità con la tecnologia dei chip tradizionali, ma al momento richiedono tecniche di controllo estremamente complesse.
• Ioni intrappolati (Quantinuum, IonQ): utilizzano atomi veri e propri sospesi nel vuoto, tenuti in posizione tramite campi elettromagnetici. Ogni atomo è identico all’altro — la natura li produce “perfetti” — e questo elimina le variazioni tipiche dei dispositivi fabbricati in laboratorio.

Perché Helios è diverso: la fisica come architettura

A differenza di un chip tradizionale, in cui dati sono spostati elettricamente tra transistor fissi, in Helios i “dati” sono atomi di bario carichi (ioni) che vengono fisicamente spostati lungo percorsi elettromagnetici.

Si immagini un vinile che ruota su un giradischi: gli atomi viaggiano lungo un anello centrale e quando raggiungono un punto specifico — l’“incrocio quantico” — possono essere instradati verso una zona operativa, dove avviene la manipolazione logica.

Questa configurazione, chiamata Quantum Charged Coupled Device (QCCD), funziona come una metropoli in miniatura, dove le particelle sono direzionate come veicoli da strade e tunnel. Qualsiasi qubit può interagire con qualsiasi altro, senza limiti geometrici: è un vantaggio enorme rispetto alle architetture a qubit fissi dei sistemi superconduttori, dove le connessioni sono limitate ai “vicini di casa”.

La QPU (Quantum Processing Unit) Helios: gli ioni si muovono lungo l’anello di memoria fino alle zone di calcolo e logica per l’esecuzione delle operazioni quantistiche. Fonte dell’immagine: Quantinuum.

Un salto di scala: 98 qubit con una precisione senza precedenti

Helios ospita 98 qubit fisici: non sono tantissimi rispetto ad altri quantum computer sinora presentati, ma la vera rivoluzione sta nella qualità delle operazioni.

Ogni singolo qubit raggiunge una fedeltà del 99,9975%, mentre le operazioni tra due qubit (quelle più delicate) arrivano al 99,921%, numeri mai registrati in un sistema commerciale.

Una delle sfide più cruciali nel campo del calcolo quantistico è la tolleranza d’errore: costruire qubit “logici” affidabili partendo da qubit “fisici” imperfetti. Helios segna un passo storico anche qui: con 98 qubit fisici riesce a generare 48 qubit logici completamente corretti, grazie a un sistema di codifica “concatenata” che riduce il rapporto fisico/logico a 2:1, un risultato che altri sistemi ottengono solo con migliaia di qubit. Questa efficienza apre la strada a una nuova era di calcolo fault-tolerant realmente scalabile.

L’alba del quantum computing pratico

Con Helios, Quantinuum non sta solo battendo record scientifici: sta dimostrando che il calcolo quantistico può essere uno strumento pratico per le imprese.

Già oggi aziende come BMW, Amgen e JPMorgan Chase si rivolgono alle soluzioni Quantinuum per simulare materiali, progettare nuove molecole e analizzare sistemi complessi con un’efficienza inedita. La potenza della meccanica quantistica non è più confinata ai laboratori: è disponibile in cloud, pronta a essere integrata nelle applicazioni reali.

Helios segna così il passaggio da una tecnologia sperimentale a una piattaforma di innovazione industriale: un ponte tra il mondo quantistico e quello classico, dove la fisica diventa calcolo, e il futuro dell’informatica prende forma.

Programmazione quantistica più umana: nasce Guppy

Oltre al nuovo hardware, Quantinuum propone un cambiamento nelle modalità con cui si scrive software quantistico.

Il nuovo linguaggio Guppy, basato su Python, permette agli sviluppatori di scrivere programmi che combinano calcolo classico e quantistico nello stesso flusso, utilizzando costrutti familiari come if, for e loop.

Grazie a un motore di controllo in tempo reale, Helios può reagire ai risultati delle misure quantistiche durante l’esecuzione, adattando il percorso del calcolo. In altre parole, il computer “pensa e corregge” mentre lavora, un’abilità che avvicina il comportamento quantistico alla logica dei computer tradizionali, ma con una potenza infinitamente maggiore.

Quando si programma un computer quantistico, si può adoperare un linguaggio classico. Ciò che lo sviluppatore definisce non è però una sequenza di operazioni aritmetiche tradizionali: sta descrivendo una rete di trasformazioni quantistiche, chiamate porte quantistiche, che agiscono sugli stati dei qubit.

Un computer tradizionale elabora bit uno per volta, attraversando uno stato determinato dopo l’altro: ogni istruzione porta a un nuovo stato ben definito. Un computer quantistico, invece, elabora uno spazio di stati. Servendosi delle porte logiche quantistiche non si modifica un singolo valore: si modificano le probabilità di tutti i possibili risultati contemporaneamente. Non è magia: è fisica. Il calcolo non è parallelo nel senso informatico: tutte le possibilità interagiscono fino a far emergere la risposta corretta.

Il ruolo di Quantinuum

Quantinuum si colloca oggi come una delle realtà che meglio sta riuscendo a trasformare la teoria del calcolo quantistico in ingegneria applicata. Il punto non è solo costruire un computer più grande o con più qubit, ma realizzare un sistema quantistico realmente utilizzabile, cioè capace di eseguire algoritmi complessi in modo stabile, ripetibile e programmabile.

Un approccio alternativo ai giganti del settore

Per riuscirci, l’azienda ha scelto una strada diversa da quella dei grandi player come IBM o Google: invece di usare qubit basati su circuiti superconduttori, ha puntato su qubit a ioni intrappolati, cioè veri e propri atomi sospesi nel vuoto e manipolati con campi elettromagnetici e laser. La scelta è strategica perché consente di lavorare con particelle perfettamente identiche per natura — ogni ione è indistinguibile dagli altri — eliminando alla radice molti dei problemi di variabilità e decoerenza che affliggono altre soluzioni.

Stabilità e fedeltà: i vantaggi degli ioni intrappolati

Gli ioni, isolati quasi completamente dall’ambiente esterno, mantengono il loro stato quantico molto più a lungo (coerenza) e consentono operazioni logiche con una fedeltà superiore al 99,9%.

Significa che ogni “nota” suonata nell’orchestra quantistica di Quantinuum resta pura e stabile per tempi molto più lunghi, riducendo drasticamente il rumore di fondo e gli errori che, nelle architetture concorrenti, crescono in modo esponenziale con il numero di qubit.

Helios e l’architettura QCCD

L’innovazione più radicale è forse l’architettura stessa: Helios — il nuovo sistema di Quantinuum — muove fisicamente gli ioni all’interno del sistema. Uno schema di questo tipo, chiamato – come abbiamo visto – QCCD, permette di creare connessioni dirette tra qualunque coppia di qubit, superando il limite strutturale dei sistemi a qubit fissi. È come passare da una rete a maglie rigide a una rete completamente riconfigurabile, dove ogni nodo può parlare con qualunque altro in un solo passaggio.

Il risultato è un sistema più flessibile, scalabile e coerente, capace di implementare codici di correzione degli errori in tempo reale e di eseguire algoritmi complessi con grande stabilità.

Quantinuum integra i sistemi Helios con GPU NVIDIA per gestire la parte classica del calcolo, creando un modello ibrido in cui il mondo classico e quello quantistico lavorano insieme: il primo organizza, ottimizza e interpreta, mentre il secondo esplora possibilità che nessuna macchina tradizionale può rappresentare.