Google Quantum AI ha dichiarato giovedì che una tecnica chiamata magic state cultivation ha ridotto gli errori di circa 40 volte sul suo chip Willow, producendo magic states con una fedeltà record del 99,99%. L'azienda afferma di aver trasformato uno dei trucchi più promettenti sulla carta dell'informatica quantistica in qualcosa che funziona davvero su un chip, con i risultati pubblicati su Science giovedì.

I magic states sono risorse a uso singolo necessarie per eseguire programmi quantistici utili, e Google afferma che alcune stime collocano il costo della loro produzione fino al 95% della capacità di un computer quantistico.

Rendere i computer quantistici meno costosi da costruire conta ben oltre i laboratori di fisica. Anticipa il giorno in cui le macchine potranno fare lavoro utile, come progettare farmaci e nuovi materiali e, allo stesso modo, il giorno in cui si potrebbe violare la crittografia che protegge gli accessi bancari e i wallet Bitcoin.

Perché i magic states sono importanti

I computer quantistici funzionano con i qubit—bit quantistici che possono contenere una miscela di 0 e 1 contemporaneamente, permettendo loro di esplorare molte risposte in parallelo. Sono anche incredibilmente fragili: un po' di calore o rumore elettrico può ribaltare un qubit e rovinare un calcolo, ed è per questo che l'intero settore è ossessionato dalla correzione degli errori, distribuendo una singola informazione su molti qubit così che gli errori possano essere individuati e corretti. Il chip Willow di Google, presentato a dicembre 2024, ha dimostrato questo principio su hardware reale: man mano che il codice di correzione degli errori scala, i tassi di errore diminuiscono invece di aumentare.

La correzione degli errori gestisce bene le operazioni semplici, ma un programma davvero utile ha bisogno anche di una classe di operazioni più complesse che non possono essere protette allo stesso modo. Per eseguirle, la macchina deve prima produrre magic states, che funzionano come celle a combustibile a uso singolo per quelle operazioni: ognuna viene consumata nel momento in cui viene usata.

Produrre magic states puliti è sempre stato proibitivamente costoso. Alcune stime collocano il conto fino al 95% dell'intera capacità di un computer quantistico, secondo Google, lasciando pochissimo spazio per il calcolo vero e proprio.

Dalla distillazione alla cultivation

I fisici Sergei Bravyi Alexei Kitaev hanno delineato la soluzione standard nel 2004 con la magic state distillation, che prende molti magic states rumorosi e li riduce a pochi puliti. Funziona, ma richiede estese "fabbriche" di qubit che non fanno altro.

Nel 2024, i ricercatori di Google hanno proposto una via più economica che hanno chiamato magic state cultivation. Invece di una fabbrica, la tecnica si comporta come un filtro: un magic state grezzo viene iniettato in una piccola porzione del chip, viene eseguita una catena di controlli, ogni tentativo con un difetto rilevato viene scartato e i superstiti continuano a crescere. Il loro articolo è arrivato a suggerire che un'ulteriore distillazione "potrebbe non essere mai necessaria in pratica."

"Sul processore Willow di Google Quantum AI, il nostro protocollo ha ottenuto una straordinaria riduzione degli errori di 40 volte rispetto agli stati non coltivati. E abbiamo ottenuto T-states con una fedeltà logica record del 99,99%", ha dichiarato Google nel suo annuncio. I T-states sono il tipo specifico di magic state consumato per applicare la T gate, una delle operazioni più complesse che la correzione degli errori non può proteggere da sola.

Solo circa l'8% dei tentativi ha superato tutti i controlli, il che significa che il chip scarta più di nove tentativi su dieci per conservare uno stato pulito.

Le conseguenze crittografiche

La cultivation è uno dei trucchi alla base della stima del 2025 di Gidney secondo cui la crittografia RSA-2048 potrebbe essere violata con meno di un milione di qubit rumorosi, un calo di 20 volte rispetto ai 20 milioni stimati nel 2019.

Google ha continuato a stringere la molla a marzo, quando un whitepaper di Quantum AI co-scritto con il ricercatore dell'Ethereum Foundation Justin Drake e il crittografo di Stanford Dan Boneh ha collocato il costo per violare la crittografia a curva ellittica di Bitcoin—la matematica che impedisce a chiunque di ricavare una chiave privata da un indirizzo pubblico—a meno di 500.000 qubit fisici. Questo è seguito all'esperimento Quantum Echoes dell'azienda lo scorso ottobre, il primo speedup quantistico verificato su hardware reale.

La difesa procede secondo i propri tempi: il NIST ha finalizzato i suoi primi standard di crittografia post-quantistica nell'agosto 2024—algoritmi progettati per resistere agli attacchi di grandi macchine quantistiche future—and ha proposto di vietare gli schemi a chiave pubblica vulnerabili al quantum, come RSA e la crittografia a curva ellittica, nei sistemi federali dopo il 2035.

Ancora lontani dal violare i codici

Nessuno sta svuotando i wallet grazie a questo. L'esperimento ha utilizzato al massimo 54 dei 105 qubit di Willow, e l'articolo nota che la fattorizzazione di una chiave RSA-2048 richiederebbe magic states con errori di circa uno su 10 miliardi—circa un milione di volte più puliti di quanto Google abbia appena ottenuto.

Prossimi passi

Google afferma che il passo successivo è eseguire la cultivation su scala maggiore. Il team prevede che dimezzare il rumore hardware sottostante di Willow porterebbe gli errori dei magic states a circa due su 100.000, perché gli errori nel processo diminuiscono con il cubo del livello di rumore del chip. Il tasso di successo di circa l'8% è l'altro numero da tenere d'occhio: più tentativi superano tutti i controlli, minore è la capacità della macchina dedicata a tentativi che finiscono scartati.