Due tappe fondamentali nella ricerca sull'informatica quantistica — guadagni significativi nell'efficienza della correzione degli errori e la prima verifica sperimentale di un'ipotesi fondamentale di scalabilità — hanno modificato in modo sostanziale le probabilità che un computer quantistico praticabile venga prodotto nel prossimo decennio, secondo Shinobi, che scrive sull'ultima edizione stampata di Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Né l'onnipresenza né un facile accesso sono garantiti, avverte l'autore, ma la possibilità che macchine praticabili emergano nel prossimo futuro non dovrebbe essere esclusa.

Il dibattito su whether un computer quantistico rappresenti una minaccia realistica per la rete Bitcoin è in corso da oltre un decennio. La domanda affonda le radici nel modo in cui Bitcoin si protegge: spendere fondi richiede una firma digitale a curva ellittica, il tipo di problema matematico che l'algoritmo di Shor potrebbe in linea di principio violare su una macchina quantistica sufficientemente potente, mentre l'hashing SHA-256 alla base del mining è considerato molto più resistente, poiché l'algoritmo di Grover offre solo un'accelerazione quadratica. Era già un argomento di seria discussione più di 13 anni fa, quando Shinobi ha scoperto Bitcoin per la prima volta. Da allora si è registrato un considerevole progresso sia nella teoria sia nell'ingegneria del mondo reale. Questo non significa necessariamente che la tecnologia raggiungerà l'onnipresenza, o persino un relativo accesso facilitato per chi dispone di grandi capitali. Ma è molto possibile che un certo numero di macchine praticabili venga prodotto nel prossimo futuro.

Miglioramenti nella correzione degli errori

Il primo grande miglioramento è arrivato nella correzione degli errori. Per tenere conto del rumore intrinseco nel lavorare a questa scala minuscola, produrre un qubit logico realmente utile per il calcolo richiede l'uso di più qubit fisici ridondanti.

Il precedente stato dell'arte erano i surface code: un modo di raggruppare più qubit fisici in una griglia utilizzandone alcuni come qubit di controllo che periodicamente "controllano" i vicini per assicurarsi che non si siano verificati errori interni nella sovrapposizione, senza collassarla. Gli spazi vuoti di ogni griglia devono essere riempiti con qubit di controllo.

Questo requisito di qubit di controllo crea un overhead aggiuntivo che può avvicinarsi a 1.000 qubit fisici per qubit logico in totale, e scala male perché i qubit di controllo possono controllare solo i qubit immediatamente adiacenti. Ogni raggruppamento di qubit richiede quindi controllori posizionati a intervalli equidistanti.

I codici quantistici a controllo di parità a bassa densità (qLDPC) eliminano questo collo di bottiglia, consentendo ai qubit di controllo di verificare altri qubit a grandi distanze all'interno del dispositivo — sia tramite tracce intrecciate per comunicare tra le sezioni del chip, sia spostando fisicamente atomi, come nel design a atomi neutri. Ciò ha permesso una riduzione di 10 volte del numero di qubit fisici necessari per produrre un qubit logico affidabile.

Per il modello di minaccia di Bitcoin, questo rapporto di overhead è il punto cruciale. Qualsiasi macchina in grado di eseguire l'algoritmo di Shor contro le firme a curva ellittica dovrebbe essere assemblata a partire da qubit logici affidabili, quindi quanti qubit fisici ciascuno ne consuma determina in larga parte la scala dell'hardware coinvolto. Non si tratta di un guadagno da sottovalutare. Potrebbe non rappresentare una macchina completamente funzionale che progredisce verso una maggiore efficienza, ma costituisce guadagni di efficienza sostanziali nei processi di ingegneria che stanno alla base della produzione di un computer quantistico completamente funzionale.

Progressi nella dimostrazione dei fondamenti

La seconda tappa riguarda una domanda più fondamentale: se l'affermazione secondo cui aggiungere più qubit fisici porti a una riduzione del rumore complessivo del sistema, anziché a un aumento, sia davvero valida. A questo punto resta in gran parte teoria — e vale la pena ricordare che, a tutt'oggi, non è mai esistito un computer quantistico completamente funzionale che abbia eseguito end-to-end un calcolo di cui un computer classico sarebbe incapace.

Google ha condotto un esperimento utilizzando i suoi chip Sycamore (e successivamente Willow) per verificare sperimentalmente l'effetto dell'aggiunta di più qubit fisici. Entrambi sono processori superconduttivi, la stessa ampia famiglia hardware i cui vincoli di layout fisico sono affrontati dal lavoro sui qLDPC, in competizione con i design a atomi neutri che organizzano controlli di errore a lunga distanza spostando fisicamente atomi. Per essere molto chiari: non si è trattato di una dimostrazione di esecuzione di calcoli, ma semplicemente di una dimostrazione di archiviazione di informazioni in memoria senza che decadano.

Utilizzando qubit logici composti da un blocco di 17 qubit fisici, un blocco di 49 e un blocco di 101, Google ha dimostrato che il tasso di errore logico — la frequenza di corruzione dei dati — diminuiva all'aumentare del numero di qubit fisici. Il test ha superato una soglia critica: qubit logico creato dai qubit fisici indipendenti ha mantenuto la coerenza più a lungo di ogni singolo qubit fisico di cui era composto.

Ancora una volta, non si tratta di un salto verso un computer quantistico completamente funzionale che esegue calcoli di cui le macchine classiche sono incapaci, ma è un progresso sostanziale nel dimostrare una delle ipotesi fondamentali alla base dei computer quantistici.

AI

Questi non sono gli unici ambiti in cui si stanno trovando soluzioni migliori in questo spazio problematico. L'intelligenza artificiale è diventata una componente importante di questi sistemi. Viene utilizzata nel processo effettivo di lettura e decodifica delle informazioni da un computer quantistico, un grande collo di bottiglia per l'uso pratico di tali macchine su larga scala.

L'IA è impiegata anche nello sviluppo di nuovi algoritmi quantistici ottimizzati per questi tipi di macchine. Considerata la recente serie di casi in cui l'IA ha contribuito a risolvere — o persino a confutare congetture esistenti di — problemi rilevanti nel campo della matematica, non è un salto assurdo considerare la possibilità di importanti rivoluzioni portate dall'IA.

L'IA viene usata allo stesso modo nella progettazione dei circuiti quantistici fisici costruiti con diverse architetture. Si tratta di un problema realmente complesso: trovare il modo ottimale di disporre le porte quantistiche in uno spazio fisico per ridurre al minimo il rumore a livello quantistico, senza creare così tanto spazio vuoto da introdurre latenza, inefficienza e altri problemi da risolvere.

È un fattore che potrebbe benissimo darne una spinta potentissima ai progressi verso la risoluzione dei problemi fondamentali necessari.

Prospettive future

In definitiva, a parere dell'autore, tutto si riduce a una domanda: l'ipotesi che aggiungere più qubit fisici riduca il rumore vale davvero quando si tratta di calcolo e manipolazione attiva delle informazioni quantistiche?

Se tale ipotesi si regge — e non viene smentita sperimentalmente nel prossimo futuro — allora esiste un caso molto realistico per la produzione di un computer quantistico praticabile nei prossimi dieci anni. C'è una massa enorme di risorse dedicate a questo problema, e ci sono stati progressi significativi, per quanto non travolgenti, nella risoluzione di alcuni suoi aspetti. E se fondamentalmente esiste un modo per fare qualcosa, gli esseri umani di solito lo trovano.

Questa incertezza non è unica di Bitcoin. Il settore della sicurezza più ampio ha già iniziato ad agire sul rischio a lungo termine: nel 2024, il National Institute of Standards and Technology statunitense ha finalizzato i suoi primi standard di crittografia post-quantistica, approvando sostituzioni per gli algoritmi a chiave pubblica che una macchina quantistica su larga scala potrebbe minacciare. Per chi segue questo settore, i indicatori a breve termine sono chiari — se i blocchi di qubit logici continuano a scalare con tassi di errore in calo, e se gli esperimenti passano dall'archiviazione di informazioni quantistiche al calcolo attivo con esse, esattamente la soglia che l'autore identifica come questione aperta.

Il messaggio non è che sia il momento di farsi prendere dal panico — ma la possibilità non dovrebbe esclusa.

Questo pezzo è pubblicato nell'ultima edizione stampata di Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, ed è condiviso come anteprima delle idee esplorate nell'intero numero. È apparso per la prima volta su Bitcoin Magazine ed è scritto da Shinobi.