PsiQuantum ha in programma di realizzare un enorme computer quantistico basato sulla luce

L’azienda ha coinvolto governi, un importante produttore di chip e il Pentagono in un progetto volto a controllare i fragili fotoni e a costruire una macchina quantistica funzionante. Il suo obiettivo è essere la prima a riuscirci.

La macchina che potrebbe cambiare il mondo sarà ospitata in una sala che sembra un incrocio tra un data center e una fabbrica di gelati. All’interno ci saranno circa 100 armadi in acciaio inossidabile, ciascuno alto circa sei piedi e collegato a una fonte di elio liquido che li mantiene a pochi gradi sopra lo zero assoluto. All’interno di quelle cabine ci saranno centinaia di chip e, su di essi, migliaia di particelle di luce che sfrecciano attraverso un labirinto di interruttori ottici e divisori di fascio. Ogni fotone deve essere monitorato, perché misurare con precisione dove finisce aiuterà a rispondere a domande che i computer attuali potrebbero impiegare milioni di anni a risolvere.

Questo computer, così come descritto, non esiste. È frutto dell’ingegno di un’azienda chiamata PsiQuantum, fondata nel 2016 da quattro fisici provenienti da università britanniche. In un settore affollato di concorrenti con ingenti risorse finanziarie e visioni altrettanto fantasiose, l’azienda punta a essere la prima a mantenere la propria promessa.

Negli anni trascorsi da quando il fisico Richard Feynman li immaginò per la prima volta nel 1981, i computer quantistici hanno promesso di accelerare ogni cosa, dalla ricerca medica all’intelligenza artificiale, sfruttando le proprietà delle particelle quantistiche. A differenza dei normali bit dei computer, che possono assumere il valore 1 o 0, i bit quantistici possono esistere in più stati contemporaneamente. E combinando un numero sufficiente di questi bit quantistici si potrebbe ottenere un computer in grado di svolgere compiti ben al di là delle possibilità delle macchine convenzionali odierne. Tuttavia, anche i migliori prototipi quantistici attuali sono troppo piccoli e soggetti a errori per svolgere qualsiasi attività utile.

Ciò rende ancora più audaci le promesse di PsiQuantum su ciò che i suoi computer saranno in grado di fare in futuro. Si pensi alle speranze dell’azienda di prevedere gli effetti degli enzimi del citocromo P450, che spesso degradano i farmaci nell’organismo. Se le aziende farmaceutiche sapessero con maggiore precisione come agiscono su una particolare molecola, potrebbero progettare farmaci più efficaci in tempi più rapidi. Stimare questo aspetto per un farmaco specifico può richiedere oltre 10 anni con i metodi attuali, afferma Philipp Ernst, vicepresidente delle applicazioni quantistiche di PsiQuantum, ma «il nostro obiettivo è ridurre il tempo a quattro minuti».

I chip dell’azienda saranno alloggiati in grandi armadi. Si prevede che un computer quantistico sufficientemente potente da essere commercialmente utile richiederà circa 100 di questi armadi collegati tra loro.
PER GENTILE CONCESSIONE DI PSIQUANTUM

In un settore in cui abbondano affermazioni di questo tipo, PsiQuantum ha attirato investimenti e attenzione fuori dal comune per due motivi: è una delle poche aziende che punta direttamente alla realizzazione di una macchina di grandi dimensioni e realmente utile, e sta già collaborando con un importante produttore di chip per costruire i propri sistemi utilizzando gli stabilimenti di produzione di semiconduttori esistenti. La sua visione ha acquisito slancio: lo scorso anno, PsiQuantum ha raccolto 1 miliardo di dollari di finanziamenti e ha avviato i lavori a Chicago in un sito che sta realizzando in collaborazione con le amministrazioni locali. Ha inoltre un secondo sito in fase di realizzazione in Australia, che promette sarà operativo – ovvero con l’hardware pronto – nel 2027. Ed è una delle sole due aziende (insieme a Microsoft) ad aver raggiunto la terza fase di un programma di valutazione governativo intensivo dell’ , volto a individuare quali aziende quantistiche potrebbero avere successo.

Valutare se PsiQuantum manterrà le promesse è più difficile che, ad esempio, giudicare un’azienda farmaceutica in base ai risultati delle sue sperimentazioni cliniche: i progressi nell’informatica quantistica sono graduali, poco trasparenti e difficili da verificare dall’esterno. Ma l’azienda si sta ora avvicinando al momento della prova del nove, quando anni di lavoro a porte chiuse e centinaia di milioni di investimenti culmineranno in un computer quantistico funzionante oppure si riveleranno un fallimento. Potremmo cominciare a saperlo già dal prossimo anno.

Un nuovo tipo di macchina

Terry Rudolph, uno dei quattro fondatori di PsiQuantum, ha un tono di voce pacato e i capelli arruffati. È nato in Malawi e ha scoperto solo dopo aver conseguito la sua prima laurea in fisica di essere il nipote del famoso fisico Erwin Schrödinger. In seguito ha pubblicato autonomamente un libro di 150 pagine per spiegare l’informatica quantistica agli adolescenti (il mio referente delle pubbliche relazioni mi ha regalato una copia autografata con un occhiolino che diceva: «Non ci aspettiamo certo che qualcuno lo legga davvero», ma posso confermare che si tratta di un libro divertente e utile).

Intorno al 2014, Rudolph e i suoi cofondatori si convinsero sempre più che le scoperte quantistiche che ritenevano possibili in teoria potessero essere realizzabili anche in una macchina reale. Alla fine hanno lasciato i loro incarichi accademici e si sono suddivisi i compiti: Rudolph si è occupato della teoria, Mark Thompson dell’ingegneria, Pete Shadbolt del potenziamento della tecnologia e Jeremy O’Brien di articolare la visione e trovare investitori (O’Brien ha ricoperto il ruolo di CEO fino a febbraio; è stato sostituito da Victor Peng, un veterano del settore dei semiconduttori).

Per capire perché il computer quantistico che l’azienda sta costruendo rappresenterebbe una svolta epocale, basti pensare a quanto sia ancora imprecisa gran parte della scienza moderna. Non siamo in grado di prevedere con certezza, ad esempio, quale batteria agli ioni di litio prenderà fuoco o quanto velocemente si corroderà un componente critico di un aereo.

Questo non è dovuto solo alla complessità di questi sistemi, sebbene lo siano. Il fatto è che, nella loro essenza, sono governati dalla meccanica quantistica. Le particelle subatomiche non hanno proprietà ben definite — questa posizione e quella velocità — ma occupano invece stati quantistici distribuiti su molte possibilità. E questo, a sua volta, influenza una serie di comportamenti atomici e molecolari. Schrödinger (il nonno di Rudolph, ricordate?) ha mostrato come descrivere matematicamente questa vaghezza un secolo fa, ma eseguire con precisione i calcoli su sistemi del mondo reale diventa rapidamente impossibile anche per i computer più potenti. Gli scienziati affrontano questa lacuna ricorrendo ad approssimazioni, simulazioni imperfette o esperimenti sugli animali.

Il cofondatore e direttore scientifico di PsiQuantum Pete Shadbolt (a sinistra) e i macchinari che l’azienda ha costruito per produrre autonomamente il proprio titanato di bario, un materiale con le qualità perfette per incanalare le particelle di luce (a destra).

Feynman, David Deutsch e altri fisici negli anni ’80 si chiesero se fosse possibile fare di meglio. Forse tale complessità avrebbe potuto invece essere modellata utilizzando un nuovo tipo di macchina. Anziché ricorrere a transistor che sono sempre e solo accesi o spenti, questa macchina avrebbe utilizzato particelle mantenute in stati quantistici, le avrebbe manipolate per eseguire calcoli e poi le avrebbe misurate alla fine per ottenere una risposta. L’uso di sistemi quantistici per simulare altri sistemi quantistici consentirebbe per la prima volta una simulazione della fisica e della chimica che riflettesse direttamente la realtà. Sarebbe uno strumento inestimabile per progettare nuovi farmaci, materiali o, in sostanza, qualsiasi cosa influenzata dalla meccanica quantistica. Rivoluzionario, in altre parole.

I passi da gigante compiuti dall’umanità nella comprensione di come funziona la natura hanno spesso portato all’invenzione di nuovi e potenti strumenti, mi ha detto Rudolph. «Non credo sia una coincidenza che la Rivoluzione Industriale abbia coinciso con la nostra capacità di calcolare e simulare le leggi della meccanica newtoniana, le leggi della termodinamica, […] le leggi dell’elettromagnetismo classico», afferma. «Ogni volta che disponiamo di maggiore potenza per calcolare, simulare e comprendere le cose, costruiamo macchine incredibili che ne derivano». Egli intravede qualcosa di simile all’orizzonte con i computer quantistici.

Alla ricerca dei fotoni

Un mistero è sempre stato quale entità quantistica — ioni, atomi o qualcosa di completamente nuovo progettato con proprietà quantistiche — potesse essere resa sufficientemente stabile e controllabile da poter essere utilizzata come qubit, l’unità di base nel mondo dell’informatica quantistica. I sistemi quantistici sono delicati, e l’osservazione di una particolare particella ne provoca il collasso in un unico stato anziché in una sovrapposizione di stati multipli. Se ciò accade durante il calcolo anziché alla fine, si produce un errore che deve essere corretto. Un numero eccessivo di errori di questo tipo impedisce al computer di fornire una risposta utile.

Proprio come gli ingegneri agli albori dell’aviazione non sapevano se le ali degli aerei sarebbero state fisse o se avrebbero sbattuto come quelle di un uccello, non sappiamo ancora quale di queste soluzioni quantistiche funzionerà meglio. Google e IBM puntano sui qubit superconduttori, circuiti superconduttori realizzati in alluminio o altri metalli. Intel utilizza gli elettroni. PsiQuantum utilizza i fotoni, le particelle che compongono la luce.

«I fotoni presentano molti vantaggi», afferma Rudolph. Sono in grado di mantenere gli stati quantistici per molto tempo; infatti, i fotoni presenti nella radiazione cosmica di fondo potrebbero averlo fatto per miliardi di anni. Ma i fotoni si muovono anche velocemente e si disperdono facilmente. Ancora più importante, è più probabile che due fotoni si attraversino a vicenda piuttosto che interagire. Ciò li rende candidati difficili per il calcolo quantistico, in cui i qubit devono poter influenzarsi a vicenda.

Per un certo periodo, quest’ultimo difetto sembrava condannare l’idea dell’informatica quantistica basata sulla luce. Ma nel 2001, i ricercatori del Los Alamos National Laboratory e dell’Università del Queensland hanno trovato una scappatoia. Hanno scoperto di poter essenzialmente simulare le interazioni tra i fotoni inviando le particelle di luce attraverso una rete di divisori di fascio e rilevatori di tipo “ ”. Il loro articolo ha cambiato tutto. PsiQuantum è stata creata per trasformare la teoria in realtà.

Le dimensioni rappresentavano il primo problema; i progetti precedenti avrebbero richiesto un computer grande quanto la California. Mercedes Gimeno-Segovia, che all’inizio degli anni 2010 era una dottoranda di Rudolph (dopo aver quasi intrapreso la carriera di violinista professionista), ideò un modo per ridurre le dimensioni della macchina.

Da allora il processo di base è stato questo: prima creare fotoni con i laser e poi “entanglarli”, sfruttando un fenomeno quantistico in cui le particelle non hanno più stati individuali ma ne condividono uno unico. Successivamente, li si fa passare attraverso un labirinto di porte che eseguono calcoli e, infine, si leggono i dettagli del loro stato quantistico alla fine del percorso, il tutto monitorando e correggendo gli errori che si verificano. Riuscire in ciascuno di questi passaggi milioni di volte non è tanto un ostacolo ingegneristico quanto un vero e proprio muro di mattoni. E costruire la catena di approvvigionamento — come la produzione di nuovi materiali con le qualità necessarie per far passare i singoli fotoni — è un’impresa ardua.

Una parte consistente dei finanziamenti di PsiQuantum viene spesa per macchinari di raffreddamento su misura che utilizzano serbatoi di elio liquido per raffreddare i chip dell’azienda. Qui è raffigurata una parte del sistema di raffreddamento di PsiQuantum presso una struttura a Milpitas, in California.
PER GENTILE CONCESSIONE DI PSIQUANTUM

Per farmi un’idea della situazione, l’anno scorso ho accompagnato Shadbolt allo SLAC National Accelerator Laboratory, a Menlo Park, in California. Il centro ha contribuito all’assegnazione di diversi premi Nobel e ha svolto un ruolo nella scoperta, avvenuta nel 1968, dei quark, elementi costitutivi fondamentali della materia che compongono protoni e neutroni. Ma PsiQuantum si è insediata lì essenzialmente per attingere elio liquido dal gigantesco impianto criogenico dello SLAC. È proprio questo che l’azienda utilizza per raffreddare i propri armadi di calcolo fino a temperature pari a quelle dello spazio profondo.

Al momento gli armadi funzionano a 2 K, ovvero -456 °F, ma l’obiettivo è riuscire a farli funzionare a una temperatura leggermente più alta, ovvero a una mite -452 °F. La maggior parte degli approcci quantistici richiede che l’intera macchina sia raffreddata a temperature superconduttive, per cui gran parte dei costi di gestione sarà effettivamente destinata alla refrigerazione. I computer fotonici, invece, richiedono che solo un componente sia così freddo: i rivelatori che misurano i singoli fotoni al termine del calcolo. E la temperatura richiesta può essere leggermente più alta. (PsiQuantum ha dichiarato a maggio che destinerà parte dei 100 milioni di dollari di finanziamenti previsti dal CHIPS Act a questi rivelatori).

Il sistema di sifonaggio era una soluzione temporanea; PsiQuantum dispone ora di un proprio sistema di raffreddamento presso il proprio centro di test a Milpitas, in California, e ne sta installando uno più grande nel proprio sito produttivo in Australia il prossimo anno. Questi sistemi a elio rappresentano alcune delle maggiori spese in conto capitale per qualsiasi azienda quantistica e assorbiranno una fetta significativa del round di finanziamento da 1 miliardo di dollari di PsiQuantum.

Nel pomeriggio ci siamo recati in auto in un laboratorio a San Jose, dove ho indossato una tuta da camera bianca — un indumento che copre dalla testa ai piedi e tiene lontana la polvere — per osservare la produzione di un cristallo bluastro chiamato titanato di bario.

È molto apprezzato da PsiQuantum perché incanala in modo rapido e affidabile le particelle di luce con un consumo elettrico minimo, mantenendo indenni i preziosi fotoni mentre si muovono attraverso il circuito. Ma nonostante tutto il valore teorico del titanato di bario per l’azienda, la sua struttura ne rende la produzione particolarmente complessa, e il materiale non era disponibile su larga scala quando PsiQuantum ha mosso i primi passi. L’azienda, con quella che Rudolph mi ha descritto come una decisione straziante, ha optato per la produzione interna, il che ha richiesto un investimento ingente. Ho visto un tecnico – all’opera davanti a quella che sembrava una gigantesca pentola a pressione – aggiungere gli elementi di base a diverse tramogge; poi ho osservato attraverso un oblò mentre gli elementi venivano riscaldati, vaporizzati e infine cristallizzati in un sottile strato su un disco di wafer. All’epoca la produzione di ogni disco richiedeva circa 12 ore; l’azienda ora afferma di produrne diversi ogni giorno. I dischi vengono poi spediti al produttore di chip GlobalFoundries a Malta, New York, dove vengono realizzati i chip di PsiQuantum.

L’azienda ha investito ingenti risorse nella produzione in proprio del titanato di bario, un materiale la cui delicata struttura cristallina è complessa da realizzare.

La scommessa di PsiQuantum è che l’intera catena di approvvigionamento, per quanto possa sembrare complessa, renderà l’azienda più efficiente rispetto ai suoi concorrenti. Questo perché, a ben vedere, sembra una versione potenziata e ad alta precisione della catena di approvvigionamento esistente per i chip fotonici al silicio, un altro tipo di tecnologia che trasmette informazioni tramite la luce — già utilizzata nei data center. Se PsiQuantum produce i propri chip su larga scala, può avvalersi di strumenti e infrastrutture già esistenti.

Ma non è scontato che un singolo chip funzionante possa essere facilmente collegato ad altre migliaia. Ecco perché l’azienda sta effettuando i test in fasi: la sua sede di Milpitas ha collegato tra loro tre armadi, con 250 chip ciascuno, ma il passo successivo consiste nel potenziare i sistemi e verificare se le tecniche di correzione degli errori dell’azienda riescano a tenere il passo. Una volta che il sistema di raffreddamento arriverà nella sede australiana alla fine del prossimo anno, secondo quanto dichiarato dall’azienda, l’obiettivo è collegare tra loro circa 100 armadi. A quel punto PsiQuantum si dedicherà all’esecuzione degli algoritmi rivoluzionari che ha promesso.

Vale la pena notare che la tempistica a tal fine è oggetto di dibattito. Alcuni articoli di stampa hanno indicato il 2027 come l’anno in cui PsiQuantum punta a mettere in funzione il suo primo computer quantistico su larga scala presso la sede australiana, ma l’azienda insiste sul fatto che la scadenza sia stata interpretata erroneamente e che intenda semplicemente rendere la struttura “operativa” entro la fine del prossimo anno. Ciò significa che i sistemi di raffreddamento saranno installati e pronti per l’installazione dell’hardware, ma non vengono fornite garanzie sulle dimensioni del computer che sarà pronto. In un settore in cui le tempistiche sono in continuo mutamento, pur essendo fondamentali per il giudizio sulle aziende, questa distinzione non è affatto banale.

Verso l’ignoto

L’osservatore esterno che forse ha le migliori possibilità di prevedere se PsiQuantum avrà successo è il Pentagono. L’Agenzia per i Progetti di Ricerca Avanzata della Difesa degli Stati Uniti — il braccio di ricerca e sviluppo del Pentagono — ha avviato un’iniziativa per determinare quale tra le aziende quantistiche che si vantano di tanto possa effettivamente mantenere le promesse. Nell’ultimo anno e mezzo, i responsabili del programma si sono mostrati sempre più fiduciosi. Joe Altepeter, che ha guidato il programma fino allo scorso anno e si definiva con orgoglio uno «scettico quantistico», mi ha detto nel marzo 2025: «Ora sono più ottimista di quanto lo sia mai stato negli ultimi dieci anni». E in una dichiarazione rilasciata all’inizio di quest’anno, il suo successore, Micah Stoutimore, ha affermato che «ora sembra probabile che qualcuno costruirà un computer quantistico su scala industriale entro il 2033», riferendosi a una macchina che genera dai propri calcoli un valore superiore ai costi di costruzione e funzionamento.

Il programma sta esaminando attentamente i sistemi di PsiQuantum dal 2023 e lo scorso anno ha inserito l’azienda nella terza fase di un’iniziativa di benchmarking volta a determinare se la tecnologia funzionerà effettivamente. Ma per il resto del settore, PsiQuantum è una sorta di scatola nera.

PsiQuantum ha avviato i lavori presso l’Illinois Quantum and Microelectronics Park alle porte di Chicago, qui raffigurato, e in un altro sito a Moreton Bay, in Australia. L’obiettivo è costruire computer quantistici su larga scala in entrambi i siti.
PER GENTILE CONCESSIONE DI PSIQUANTUM

«È molto difficile da valutare per chi non ne fa parte», afferma Scott Aaronson, informatico teorico presso l’Università del Texas ad Austin che gestisce un popolare blog che tratta spesso di questo settore. Altre aziende, come Google e Quantinuum, hanno pubblicato regolarmente nel corso degli anni risultati che dimostrano chip e sistemi con miglioramenti incrementali, gettando pubblicamente le basi ingegneristiche necessarie per costruire, alla fine, macchine di grandi dimensioni.

PsiQuantum si è invece concentrata esclusivamente su un obiettivo commerciale: un computer con un milione di qubit, ovvero la scala che i ricercatori ritengono necessaria per sbloccare ricerche attualmente impossibili sui computer tradizionali. PsiQuantum si distingue spesso per questo obiettivo su scala industriale, ma IBM, che nel 2020 ha presentato una roadmap di sviluppo, sta progressivamente realizzando sistemi sempre più grandi. Inizialmente puntava al 2028 per un sistema su larga scala con correzione degli errori, una scadenza che ora sembra essere stata posticipata al 2030.

Renderlo utile

Oltre alla realizzazione effettiva della macchina, uno degli obiettivi principali di PsiQuantum è convincere il resto del mondo a sviluppare un piano su come utilizzarla. PsiQuantum ha annunciato partnership con clienti quali il colosso della difesa Lockheed Martin, che intende utilizzarla per la progettazione di materiali; la casa automobilistica Mercedes, che la vuole per la progettazione di batterie; e il produttore aerospaziale Airbus.

Il fatto che queste aziende non dispongano di un computer su cui sperimentare non è un problema, secondo Ernst di PsiQuantum. «Probabilmente l’anno prossimo o quello successivo Sony lancerà una PlayStation 6, e le persone stanno già programmando quei giochi», afferma. «In linea di principio, è una situazione molto simile». (È un’analogia un po’ semplicistica, ma non del tutto priva di fondamento; gli algoritmi quantistici per risolvere un problema di ricerca possono essere elaborati anche se non esiste ancora l’hardware su cui eseguirli.)

L’idea è che gli esperti di informazione quantistica sia di PsiQuantum che dei suoi clienti siano in grado di tradurre problemi di progettazione — ad esempio, i requisiti per una batteria in un veicolo elettrico Mercedes — in algoritmi che il computer possa risolvere. L’azienda offre un pacchetto software chiamato Construct, che le aziende possono utilizzare per progettare i propri algoritmi che un giorno potrebbero essere eseguiti sul computer.

Il futuro dell’informatica quantistica dipende da questi algoritmi. I computer quantistici vengono dipinti come una soluzione per velocizzare qualsiasi cosa, ma in realtà sono adatti solo a una sottoclasse di problemi, e rispondere a una domanda con questo tipo di macchina richiede che la domanda sia formulata con tipi di algoritmi molto specifici. Ci sono persone che dedicano intere carriere allo sviluppo di tali algoritmi, anche se i computer in grado di eseguirli non esistono ancora. Nella loro essenza, essi utilizzano le regole della meccanica quantistica per manipolare le probabilità in modi che i computer tradizionali non sono in grado di fare.

L’esempio più famoso, nonché uno dei motivi per cui il governo è così interessato ai computer quantistici, è l’algoritmo di Shor. È stato sviluppato nel 1994 dall’informatico teorico Peter Shor e potrebbe effettivamente violare molte forme di crittografia utilizzate online, che si tratti di numeri di carte di credito o di informazioni di intelligence militare. Ciò che, per ora, tiene insieme il mondo è il fatto che nessuno disponga di un computer su cui eseguire l’algoritmo (e gli esperti di sicurezza stanno già lanciando nuovi metodi di crittografia in grado di resistere agli attacchi di un computer quantistico). PsiQuantum sta studiando quanto tempo potrebbero impiegare i propri sistemi per eseguire l’algoritmo di Shor.