Costruire computer quantistici con migliaia di qubit richiede di scalare insieme processori, interconnessioni, elettronica di controllo e infrastruttura criogenica, l’insieme di sistemi di refrigerazione, camere a vuoto, schermature termiche e cablaggi che mantiene i processori quantistici superconduttivi a temperature di pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. IBM ha collegato e raffreddato con successo due celle criogeniche modulari facendole funzionare come un unico ambiente ultra-freddo, sperimentando un’architettura progettata per crescere attraverso l’aggiunta di ulteriori moduli e ospitare sistemi composti da molti processori quantistici interconnessi.
I primi due moduli operativi, combinati, superano i 2,4 metri sia in altezza sia in larghezza. Nei test iniziali il sistema ha raggiunto 4 kelvin, la temperatura dell’elio liquido, in meno di cinque giorni, per scendere successivamente sotto i 15 millikelvin, cioè 0,015 kelvin sopra lo zero assoluto e una temperatura circa 180 volte inferiore ai 2,7 kelvin della radiazione cosmica di fondo.
Il risultato riguarda soprattutto la possibilità di mantenere queste condizioni mentre aumenta la scala fisica del computer. I qubit superconduttivi richiedono temperature estremamente basse per limitare l’energia termica e il rumore che possono alterarne gli stati quantistici. Collegare più processori significa quindi creare un ambiente nel quale possano coesistere più QPU, più linee di controllo, più cablaggi e più interconnessioni quantistiche, preservando stabilità termica e qualità dei segnali.
Dal criostato cilindrico alle celle criogeniche modulari
I computer quantistici a qubit superconduttivi utilizzano normalmente criostati cilindrici isolati sotto vuoto, all’interno dei quali un frigorifero a diluizione raffredda il processore sfruttando una miscela di elio-3 ed elio-4, fino a temperature dell’ordine dei millikelvin. Il mantenimento di queste temperature limita il rumore termico e permette agli stati quantistici di sopravvivere abbastanza a lungo da essere controllati ed elaborati.
Questa architettura ha accompagnato l’evoluzione dei sistemi IBM dai 5 qubit del primo computer quantistico accessibile via cloud nel 2016 agli oltre 1.000 qubit del processore Condor presentato nel 2023.
La crescita del numero di qubit su un singolo chip incontra però vincoli fisici e ingegneristici sempre più rilevanti. Aumentano lo spazio richiesto dalle connessioni e dalle linee di controllo, il carico termico che il sistema criogenico deve gestire e la complessità nel contenere il qubit crosstalk, cioè le interferenze indesiderate attraverso le quali segnali o accoppiamenti destinati a un qubit possono perturbare quelli vicini, introducendo rumore ed errori.
Una delle strategie per superare questi limiti consiste nel distribuire il calcolo fra più processori collegati. Le QPU possono elaborare separatamente parti di un problema e combinarne i risultati attraverso collegamenti classici oppure essere interconnesse direttamente per estendere le operazioni quantistiche oltre i confini fisici di un singolo chip.
La roadmap IBM segue questa seconda direzione per i sistemi di maggiore scala. Anche l’infrastruttura di raffreddamento deve quindi diventare modulare, perché i tradizionali criostati autonomi sono difficili da espandere quando processori differenti devono operare come componenti di una stessa macchina.
IBM ha sviluppato per questo celle criogeniche a forma di parallelepipedo, costruite con pannelli e strutture in alluminio e progettate per essere installate una accanto all’altra. Ogni cella costituisce un ambiente criogenico completo, con una propria camera a vuoto, il sistema di raffreddamento e la schermatura termica.
La geometria rettangolare consente di avvicinare maggiormente i processori installati in celle adiacenti. Nei criostati cilindrici separati le interconnessioni fra QPU devono percorrere distanze maggiori, aumentando le difficoltà legate ad attenuazione e rumore. Le nuove celle possono invece essere disposte in file compatte, creando percorsi più brevi per le interconnessioni fra chip differenti.
Un tunnel criogenico collega i moduli
Il passaggio fondamentale avviene nel punto di giunzione fra le celle. Quando due o più moduli vengono collegati, i cavi quantistici attraversano un’apertura tra una cella e quella adiacente, mentre i diversi strati della schermatura termica vengono uniti formando un tunnel criogenico protetto.
Il tunnel permette di collegare processori ospitati in moduli differenti mantenendo lungo il percorso le condizioni termiche richieste dall’hardware quantistico. La configurazione degli schermi riduce inoltre l’interazione termica fra celle adiacenti, evitando che il collegamento trasformi i singoli moduli in sorgenti di calore reciproche.
Questo aspetto è essenziale per la scalabilità. Nei prototipi sperimentati da IBM, l’aggiunta di celle mantiene sostanzialmente costanti i tempi di raffreddamento e la stabilità della temperatura. Un’infrastruttura progettata per crescere per moduli deve infatti poter aggiungere capacità senza degradare le condizioni operative delle unità già installate.
Ogni nuova cella introduce superfici, connessioni e cablaggi attraverso i quali può propagarsi calore. Il problema non consiste quindi soltanto nel disporre di maggiore potenza refrigerante, ma nel controllare come il carico termico viene distribuito attraverso l’intera architettura mentre aumentano processori e interconnessioni.
Dodici volte più spazio per il cablaggio
Le dimensioni delle nuove celle riflettono questa necessità. Ogni modulo è approssimativamente tre volte un normale frigorifero domestico e mette a disposizione circa 0,53 metri quadrati di superficie per il cablaggio e 2,75 metri cubi di volume nella camera a vuoto.
L’involucro sotto vuoto offre inoltre fino a 12 volte più spazio per i cablaggi rispetto ai sistemi quantistici IBM oggi maggiormente utilizzati. La capacità aggiuntiva permette di aumentare le connessioni fra componenti installati nella stessa cella e quelle che raggiungono processori collocati nei moduli adiacenti.
Il cablaggio è uno dei problemi che diventano rapidamente più complessi con l’aumento dei qubit. I segnali devono attraversare diversi stadi termici partendo dall’elettronica di controllo a temperatura ambiente e raggiungendo la QPU senza trasferire quantità eccessive di calore verso gli stadi più freddi. Ogni cavo rappresenta contemporaneamente una linea di comunicazione e un possibile percorso per il trasferimento termico.
Il volume aggiuntivo permette anche di ospitare processori più grandi, configurazioni più dense ed elettronica criogenica. Quest’ultima sposta parte delle funzioni di controllo più vicino alle QPU, riducendo il numero e la complessità delle connessioni che devono attraversare l’intera struttura fino all’elettronica esterna.
Le future versioni delle singole celle sono progettate per supportare migliaia di qubit ciascuna, più di quanti IBM integri oggi su un singolo chip. L’infrastruttura può quindi evolvere verso configurazioni multi-chip senza richiedere a ogni generazione una riprogettazione completa del sistema criogenico.
L-coupler per collegare QPU a distanze dell’ordine di un metro
La modularità del raffreddamento deve essere accompagnata da interconnessioni capaci di trasferire informazione quantistica fra processori separati. IBM sta sviluppando a questo scopo gli L-coupler, interconnessioni quantistiche a lunga distanza dimostrate per la prima volta nel 2024.
Gli L-coupler sono cavi progettati per funzionare all’interno dei frigoriferi a diluizione e collegare QPU a distanze dell’ordine di un metro. Consentono quindi di superare il confine fisico del singolo chip mantenendo una connessione quantistica tra processori distinti.
È una capacità differente dalla semplice cooperazione fra computer tramite collegamenti classici. In quest’ultimo caso ogni processore esegue una parte della computazione e scambia risultati convenzionali con gli altri; un’interconnessione quantistica permette invece di costruire sistemi nei quali più QPU partecipano alla stessa architettura di calcolo quantistico.
La struttura a celle affiancate accorcia il percorso fra i processori e il tunnel criogenico permette agli L-coupler di attraversare i moduli mantenendo l’ambiente termico necessario. Entro il 2027 la roadmap IBM prevede di utilizzare queste interconnessioni per collegare più processori in un sistema con almeno 1.000 qubit programmabili, cioè qubit fisici direttamente utilizzabili nelle computazioni.
Nighthawk entra nei nuovi moduli entro la fine del 2026
IBM prevede di installare processori Quantum Nighthawk nelle nuove celle criogeniche entro la fine del 2026, passando dai test dell’infrastruttura alla verifica con hardware quantistico operativo.
Nighthawk dispone di 120 qubit collegati attraverso 218 accoppiatori regolabili di nuova generazione, con ogni qubit connesso ai quattro vicini più prossimi in una topologia a griglia quadrata. Il numero degli accoppiatori cresce di oltre il 20% rispetto al processore IBM Quantum Heron.
La prima generazione è progettata per eseguire circuiti che richiedono fino a 5.000 gate a due qubit, le operazioni che creano l’entanglement necessario a molte elaborazioni quantistiche. IBM prevede di portare questa capacità fino a 7.500 gate entro la fine del 2026, 10.000 nel 2027 e 15.000 nel 2028; per quest’ultima fase la roadmap prevede sistemi con almeno 1.000 qubit collegati attraverso accoppiatori a lunga distanza.
Installare Nighthawk nei nuovi moduli significa sottoporre l’architettura criogenica ai carichi di un computer operativo: processori attivi, linee di controllo complete, cablaggi, elettronica e interconnessioni. Sarà quindi possibile verificare se le proprietà osservate con i primi prototipi vengono mantenute mentre aumenta la complessità effettiva del sistema.
Una criogenia che può evolvere cella per cella
La modularità modifica anche il processo di sviluppo dell’hardware. Tre componenti essenziali dell’ambiente utilizzato da IBM Quantum System Two sono stati incorporati nella nuova architettura in modo da poter essere testati, migliorati e modificati indipendentemente.
Un criostato monolitico lega più strettamente l’evoluzione dei diversi sottosistemi: modificare spazio interno, cablaggio o componenti del raffreddamento può richiedere interventi estesi sull’intera struttura. Una configurazione a celle permette invece di aggiornare singoli moduli e utilizzare configurazioni differenti all’interno della stessa infrastruttura.
Le celle potranno quindi diventare anche ambienti sperimentali nei quali provare nuove generazioni di processori, interconnessioni, cablaggi ed elettronica criogenica prima che l’intero sistema fault-tolerant sia disponibile.
La capacità di ospitare migliaia di qubit per cella offre inoltre una riserva di spazio rispetto all’hardware corrente. La scala dell’infrastruttura può così precedere quella dei processori e consentire l’integrazione delle successive generazioni senza dover sostituire completamente il sistema di raffreddamento.
La criogenia entra nella roadmap verso Starling
Il riferimento di lungo periodo per questa architettura è IBM Quantum Starling, che IBM prevede di completare nel 2029 come sistema quantistico fault-tolerant su larga scala.
La fault tolerance richiede di costruire qubit logici protetti dagli errori a partire da più qubit fisici. I qubit che compongono l’unità logica memorizzano collettivamente l’informazione quantistica e consentono di individuare e correggere gli errori prima che si accumulino fino a compromettere la computazione.
IBM sta sviluppando questa architettura intorno ai qLDPC – quantum Low-Density Parity-Check codes, codici quantistici di correzione degli errori progettati per ridurre il numero di qubit fisici necessario a ottenere qubit logici affidabili rispetto ad architetture che richiedono una maggiore ridondanza.
La correzione degli errori introduce a sua volta requisiti specifici per l’hardware. I qubit devono poter comunicare secondo la topologia richiesta dal codice, gli errori devono essere rilevati e decodificati abbastanza rapidamente da non interrompere il calcolo e più processori devono poter essere integrati quando la scala supera la capacità di un singolo chip.
IBM Quantum Loon costituisce uno dei processori sperimentali utilizzati per verificare i componenti di questa architettura. Introduce, tra gli altri elementi, i C-coupler, accoppiatori che realizzano connessioni a maggiore distanza all’interno del chip e permettono di costruire topologie che non dipendono esclusivamente dalle interazioni fra qubit immediatamente adiacenti.
Sul fronte della correzione degli errori, IBM ha inoltre dimostrato la decodifica in tempo reale di codici qLDPC con una latenza inferiore a 480 nanosecondi. Il decoder classico deve interpretare continuamente le informazioni prodotte dalle misure di controllo e determinare la presenza degli errori abbastanza rapidamente da seguire il ritmo delle operazioni quantistiche.
La roadmap comprende anche Kookaburra, progettato per dimostrare un singolo modulo dell’architettura Starling comprendente una logical processing unit e memoria quantistica. La fase successiva prevede l’interconnessione di più moduli fault-tolerant.
Starling: 200 qubit logici e 100 milioni di operazioni
IBM prevede per Starling 200 qubit logici e la capacità di eseguire circuiti quantistici composti da 100 milioni di gate. Il numero non è direttamente confrontabile con quello dei qubit dichiarati per i processori attuali: i qubit logici incorporano la correzione degli errori e vengono costruiti utilizzando un numero maggiore di qubit fisici.
Di conseguenza, una macchina con alcune centinaia di qubit logici richiede un’infrastruttura capace di gestire una quantità molto superiore di componenti fisici. È in questa prospettiva che le future celle criogeniche vengono dimensionate per migliaia di qubit per modulo.
Starling dovrebbe diventare a sua volta la base per IBM Quantum Blue Jay, previsto per la metà degli anni Trenta e progettato per raggiungere 2.000 qubit logici ed eseguire circuiti quantistici composti da un miliardo di gate.
Il salto di scala riguarda quindi contemporaneamente capacità computazionale, numero di qubit fisici, interconnessioni e infrastruttura. La correzione degli errori rende ancora più importante poter aggiungere processori senza ricostruire da zero l’ambiente che li ospita e li mantiene alle temperature operative.
La scalabilità quantistica diventa un problema di systems engineering
Il collegamento delle prime due celle criogeniche mostra quanto la crescita dei computer quantistici dipenda dall’integrazione dell’intero sistema. Con l’aumento dei qubit, criogenia, packaging, cablaggio, interconnessioni quantistiche, elettronica di controllo e decoder classici diventano parti dello stesso problema di systems engineering.
La nuova architettura affronta uno dei vincoli che emergono quando il computer supera la scala del singolo processore. Ogni cella dispone del proprio ambiente criogenico, ma può essere collegata alle altre attraverso un tunnel termicamente schermato; gli L-coupler possono mettere in comunicazione QPU separate; la camera a vuoto offre più volume e più superficie per il cablaggio; i singoli moduli possono essere modificati senza riprogettare l’intera installazione.
Jay Gambetta, Director of IBM Research e IBM Fellow, collega questo passaggio alla costruzione dei futuri sistemi fault-tolerant: “Portare i computer quantistici fault-tolerant nelle industrie dipende da diversi progressi fondamentali. Il collegamento e il funzionamento riusciti di questi moduli criogenici rappresentano un importante passo avanti in questa direzione e accelereranno i nostri progressi insieme alla continua innovazione nell’hardware, nel software e negli algoritmi quantistici”.
La verifica successiva arriverà con l’installazione di Nighthawk e con l’aumento progressivo del numero di processori e interconnessioni. La questione ingegneristica centrale sarà mantenere la stabilità termica dimostrata con due celle mentre l’infrastruttura cresce verso sistemi composti da più moduli e migliaia di qubit, fino alla scala fisica richiesta dai qubit logici fault-tolerant di Starling.
