La supremazia quantistica sta arrivando

I computer quantistici non sostituiranno mai quelli “classici” come il dispositivo su cui stai leggendo questo articolo. Non eseguiranno browser web, aiuteranno con le tasse o eseguiranno lo streaming del video più recente da Netflix.
Quello che faranno, o che, almeno, si spera faranno, sarà quello di offrire un modo fondamentalmente diverso di eseguire determinati calcoli. Saranno in grado di risolvere problemi che richiederebbero al più veloce dei computer classici miliardi di anni. Permetteranno la simulazione di sistemi quantistici complessi come le molecole biologiche o offriranno un modo per calcolare numeri incredibilmente grandi, rompendo così forme di crittografia di vecchia data.
La soglia che i computer quantici devono oltrepassare per trasformarsi da intressanti progetti di ricerca a cose che nessun computer classico può fare è chiamata “supremazia quantistica“.
Qualche mese fa è stato annunciato che il progetto di calcolo quantico di Google ha conseguito la “supremazia quantistica“.
Ma, alla fine, che roba è la supremazia quantistica?

Cosa è la supremazia quantistica e perché è importante?

Per ottenere la supremazia quantistica, un computer quantico dovrebbe eseguire qualsiasi calcolo che, per tutti gli scopi pratici, non è alla portata di un computer classico.
Per questa ragione, non tutti gli sforzi seri per costruire un computer quantistico mirano specificamente alla supremazia quantistica. “La supremazia quantistica,”, ha detto Robert Sutor, il dirigente responsabile della strategia di calcolo quantico di IBM. “A noi non interessa affatto“.
La supremazia quantistica stabilirebbe uno spartiacque nella storia dell’informatica. Al livello più elementare, potrebbe portare a computer quantistici utili per risolvere alcuni problemi pratici.
C’è una giustificazione storica per questa visione.
Negli anni ’90, i primi algoritmi quantistici risolvevano problemi a cui nessuno era realmente interessato. Ma gli informatici che li progettarono, impararono cose che potevano applicare allo sviluppo di algoritmi successivi (come l’algoritmo di Shor per il factoring di grandi numeri) che hanno enormi conseguenze pratiche.
“Non penso che quegli algoritmi sarebbero esistiti se la comunità non si fosse chiesto: in linea di principio cosa sono i computer quantistici? Senza preoccuparsi dell’uso immediato“, ha detto Bill Fefferman, ricercatore nel campo dell’informatica quantistica dell’Università di Chicago.
Il mondo dell’informatica quantistica spera che il processo si ripeterà ora. Costruendo un computer quantistico che batte i computer classici – anche a risolvere un singolo problema inutile – i ricercatori potrebbero imparare cose che consentiranno loro di costruire in seguito un computer quantistico più utile.
“Prima che si raggiunga la supremazia quantistica, le possibilità che un computer quantistico possa fare qualcosa di interessante sono pari a zero“, ha detto Fernando Brandão, un fisico teorico del California Institute of Technology e ricercatore presso Google. “La supremazia è un traguardo necessario“.
Inoltre, la supremazia quantistica sarebbe un terremoto nel campo dell’informatica teorica. Per decenni, il campo ha operato sotto un’ipotesi chiamata “tesi estesa di Church-Turing“, secondo cui un computer classico può eseguire in modo efficiente qualsiasi calcolo che qualsiasi altro tipo di computer può eseguire in modo efficiente.
La supremazia quantistica sarebbe la prima violazione sperimentale di quel principio e quindi introdurrebbe l’informatica in un mondo completamente nuovo. “La supremazia quantistica sarebbe un passo avanti fondamentale nel modo in cui vediamo il calcolo“, ha detto Adam Bouland, informatico quantistico dell’Università della California, a Berkeley.

Come dimostrare la supremazia quantistica?

Risolvendo un problema su un computer quantistico che un computer classico non può risolvere in modo efficiente. Il problema potrebbe essere uno qualsiasi, anche se generalmente ci si aspetta che la prima dimostrazione della supremazia quantistica implichi un particolare problema noto come “campionamento casuale dei circuiti“.
Un semplice esempio di un problema di campionamento casuale è un programma che simula il lancio di un dado giusto. Un tale programma funziona correttamente quando campiona correttamente dai possibili risultati, producendo ciascuno dei sei numeri un sesto delle volte mentre si esegue il programma ripetutamente.
Al posto di un dado, questo problema candidato per la supremazia quantistica chiede a un computer di campionare correttamente dai possibili output di un circuito quantistico casuale, che è come una serie di azioni che possono essere eseguite su un insieme di bit quantici, o qubit.
Consideriamo un circuito che agisce su 50 qubit. Mentre i qubit attraversano il circuito, gli stati dei qubit si intrecciano in quella che viene chiamata una sovrapposizione quantistica. Di conseguenza, alla fine del circuito, i 50 qubit si trovano in una sovrapposizione di 2⁵⁰ stati possibili. Se si misurano i qubit, il mare di 2⁵⁰ possibilità crolla in una singola stringa di 50 bit. Questo è come lanciare un dado, tranne che, invece di sei possibilità, ne hai 2⁵⁰ o 1 quadrilione, e non tutte le possibilità sono ugualmente probabili.
I computer quantistici, che possono sfruttare caratteristiche puramente quantistiche come le sovrapposizioni e l’entanglement, dovrebbero essere in grado di produrre in modo efficiente una serie di risultati da questo circuito casuale che segue la distribuzione corretta.
Per i computer classici, tuttavia, non esiste un algoritmo rapido noto per generare questi risultati – così come aumenta la gamma di possibili risultati, i computer classici vengono rapidamente sopraffatti dall’attività.

Qual è il ritardo?

Finché i circuiti quantici rimangono piccoli, i computer classici possono tenere il passo. Quindi, per dimostrare la supremazia quantistica attraverso il problema del campionamento a circuito casuale, gli ingegneri devono riuscire a costruire circuiti quantistici di almeno una certa dimensione minima, cosa che, fino ad ora, non sono riusciti a realizzare.
La dimensione del circuito è determinata dal numero di qubit da cui si inizia, combinato con il numero di volte in cui si manipolano questi qubit. Le manipolazioni in un computer quantistico vengono eseguite usando “porte“, proprio come in un computer classico. Diversi tipi di porte trasformano i qubit in modi diversi: alcune invertono il valore di un singolo qubit, mentre altri uniscono due qubit in modi diversi. Se gestisci i tuoi qubit attraverso 10 porte, potresti dire che il tuo circuito ha “profondità” 10.

Eppure il problema che gli ingegneri quantistici ora affrontano è che con l’aumentare del numero di qubit e gates, aumenta anche il tasso di errore. E se il tasso di errore è troppo alto, i computer quantici perdono il loro vantaggio rispetto a quelli classici.
Ci sono molte fonti di errore in un circuito quantico. Il più cruciale è l’errore che si accumula in un calcolo ogni volta che il circuito esegue un’operazione di gate.
Al momento, le migliori porte quantistiche a due qubit hanno un tasso di errore di circa lo 0,5%, il che significa che c’è un errore per ogni 200 operazioni. Questo è astronomicamente più alto del tasso di errore in un circuito classico standard, dove c’è un errore ogni 10¹⁷ operazioni. Per dimostrare la supremazia quantistica, gli ingegneri dovranno portare il tasso di errore per i gate a due qubit fino a circa lo 0,1%.

Come sapremo per certo che la supremazia quantistica è stata dimostrata?

Alcune pietre miliari sono inequivocabili. La supremazia quantistica non è una di queste. “Non è come un lancio di un razzo o un’esplosione nucleare, in cui si guarda e si sa immediatamente se ha avuto successo“, ha detto Scott Aaronson, scienziato informatico presso l’Università del Texas, a Austin.
Per verificare la supremazia quantistica, devi dimostrare due cose: che un computer quantistico ha eseguito un calcolo veloce e che un computer classico non ha potuto eseguire in modo efficiente lo stesso calcolo.
È la seconda parte la più difficile. I computer classici spesso si rivelano più adatti a risolvere certi tipi di problemi rispetto a quanto atteso dagli scienziati informatici. Finché non si potrà dimostrare che un computer classico non può fare qualcosa in modo efficiente, c’è sempre la possibilità che esista un algoritmo classico migliore, più efficiente. Dimostrare che un tale algoritmo non esiste probabilmente sarà anche eccessivo per rivendicare la supremazia quantistica, ma una tale richiesta potrebbe essere difficile da accontentare in tempi brevi.

Qualcuno è vicino a raggiungere la supremazia quantistica? E come?

Google potrebbe avere raggiunto la supremazia quantistica ma un certo numero di altri progetti hanno il potenziale per raggiungere presto questo risultato, compresi quelli di IBM , IonQ , Rigetti e Harvard University .
Questi gruppi stanno usando diversi approcci distinti per costruire un computer quantistico. Google, IBM e Rigetti eseguono calcoli quantistici utilizzando circuiti superconduttori. IonQ usa ioni intrappolati. L’iniziativa di Harvard, guidata da Mikhail Lukin , utilizza atomi di rubidio. L’approccio di Microsoft, che riguarda i “qubit topologici“.
Ogni approccio ha i suoi pro e contro.
I circuiti quantistici superconduttori hanno il vantaggio di essere realizzati con un materiale a stato solido. Possono essere costruiti con tecniche di fabbricazione esistenti e svolgono operazioni di gate molto veloci. Inoltre, i qubit non si muovono, il che può essere un problema con altre tecnologie. Ma devono anche essere raffreddati a temperature estremamente basse, e ogni qubit in un chip superconduttore deve essere calibrato individualmente, il che rende difficile scalare la tecnologia a migliaia di qubit (o più) che saranno necessari in un modo veramente utile computer quantistico.
Le trappole ioniche hanno un insieme contrastante di punti di forza e di debolezze. I singoli ioni sono identici, il che aiuta nella fabbricazione e le trappole ioniche ti danno più tempo per eseguire un calcolo prima che i qubit vengano sopraffatti dal rumore ambientale. Ma i gates utilizzati per operare sugli ioni sono molto lenti (migliaia di volte più lenti dei cancelli superconduttori) e i singoli ioni possono spostarsi quando non lo si desidera.
Al momento, i circuiti quantistici superconduttori sembrano avanzare più velocemente. Ma ci sono serie barriere ingegneristiche che affrontano tutti i diversi approcci. Sarà necessario un nuovo importante progresso tecnologico prima che sia possibile costruire il tipo di computer quantistici che la gente sogna. “Ho sentito dire che il calcolo quantico potrebbe aver bisogno di un’invenzione analoga al transistor – una tecnologia rivoluzionaria che si comporta in modo quasi impeccabile e che è facilmente scalabile“, ha detto Bouland. “E anche se i recenti progressi sperimentali sono stati impressionanti, ritengo che siamo ancora lontani dall’obiettivo“.

Supponiamo che sia stata dimostrata la supremazia quantistica. E ora?

Se un computer quantistico raggiunge la supremazia per un compito artificioso come il campionamento di circuiti casuali, l’ovvia domanda successiva è: OK, allora quando farà qualcosa di utile?
La pietra miliare dell’utilità viene talvolta definita vantaggio quantistico. “Il vantaggio quantico è l’idea di dire: per un caso d’uso reale – come servizi finanziari, intelligenza artificiale, chimica – quando sarai in grado di vedere e come sarai in grado di vedere che un computer quantistico sta facendo qualcosa di significativamente migliore di qualche punto di riferimento classico noto? ”, ha affermato Sutor di IBM, che ha un numero di clienti aziendali come JPMorgan Chase e Mercedes-Benz che hanno iniziato a esplorare le applicazioni dei chip quantici di IBM.
Una seconda pietra miliare sarebbe la creazione di computer quantici tolleranti ai guasti. Questi computer sarebbero in grado di correggere gli errori all’interno di un calcolo in tempo reale, consentendo, in linea di principio, calcoli quantistici privi di errori.
Ma la proposta principale per la creazione di computer quantici tolleranti agli errori, nota come “codice di superficie”, richiede un enorme sovraccarico di migliaia di qubit di correzione degli errori per ogni qubit “logico” che il computer utilizza per eseguire effettivamente un calcolo.
Ciò pone la tolleranza ai guasti ben oltre lo stato attuale dell’arte nel calcolo quantistico.
È una questione aperta se i computer quantistici dovranno essere tolleranti ai guasti prima che possano davvero fare qualcosa di utile. “Ci sono molte idee“, ha detto Brandão, “ma nulla è sicuro“.
Fonte: Quanta Magazine