Google rivela come i computer quantistici possono superare i moderni supercomputer

Google rivela come i computer quantistici possono superare i moderni supercomputer

Da quando furono concepiti i primi computer quantistici, all'inizio degli anni '80, i ricercatori speravano nel giorno in cui questi dispositivi sarebbero stati realizzati Può risolvere problemi troppo difficili per i computer classici. Negli ultimi cinque anni, queste macchine hanno effettivamente iniziato a sfidare le loro controparti classiche, anche se finora la vittoria definitiva su di loro è stata sfuggente.

Nell’attuale fase della battaglia per il cosiddetto “vantaggio quantistico”, i ricercatori di Google affermano di aver determinato le condizioni in cui Computer quantistici possono sovraperformare i loro colleghi classici. Per comprendere queste condizioni, hanno utilizzato un processore quantistico chiamato Sycamore per eseguire il campionamento di circuiti casuali (RCS), un semplice algoritmo quantistico che produce essenzialmente una sequenza casuale di valori.

Il team ha analizzato i risultati di Sycamore e ha scoperto che poteva essere "ingannato" o battuto dai supercomputer classici in modalità ad alto rumore durante l'esecuzione di RCS. Tuttavia, quando i disturbi si sono ridotti a una certa soglia, il calcolo di Sycamore è diventato così complesso che eseguire una parodia era effettivamente impossibile: si stimava che il supercomputer classico più veloce del mondo avrebbe impiegato dieci trilioni di anni. Questa realizzazione è stata inizialmente in una prestampa riportato sul server arXiv l'anno scorso e oggi su Nature 1 pubblicato.

Gli esperti quantistici sottolineano che ciò rappresenta una prova convincente del fatto che Sycamore è in grado di superare qualsiasi computer classico che esegue RCS. Nel 2019, Google ha riferito che il suo computer quantistico potrebbe eseguire RCS e ottenere un vantaggio quantistico. Da allora, tuttavia, i computer classici hanno eseguito l’algoritmo più velocemente del previsto, annullando il presunto vantaggio. Michael Foss-Feig, ricercatore di informatica quantistica presso la società di software Quantinuum a Broomfield, in Colorado, spiega: "Google ha svolto un ottimo lavoro chiarendo e risolvendo molti problemi noti con RCS". I nuovi risultati mostrano quanto rumore possono avere i computer quantistici e quanto continuano a battere i computer classici.

La competizione in corso tra computer classici e quantistici è un fattore trainante in questo campo, secondo Chao-Yang Lu, fisico quantistico dell’Università di Scienza e Tecnologia di Shanghai. Questa competizione ha motivato i ricercatori a costruire computer quantistici più grandi e di qualità superiore.

Tuttavia, l’ultimo risultato di Google non significa che i computer quantistici sostituiranno i computer classici. Ad esempio, Sycamore non può eseguire operazioni tipiche di un normale computer, come salvare foto o inviare e-mail. Sergio Boixo, capo del progetto di calcolo quantistico di Google a Santa Barbara, in California, spiega: "I computer quantistici non sono più veloci, sono diversi". In definitiva, sono destinati a svolgere compiti classicamente impossibili – ma utili – come simulare accuratamente le reazioni chimiche.

Il processore Sycamore è simile ai chip di silicio che alimentano i laptop di tutti i giorni, ma è appositamente realizzato per controllare gli elettroni che lo attraversano con precisione quantistica. Per ridurre le fluttuazioni di temperatura che distruggerebbero i delicati stati degli elettroni e introdurrebbero rumore, il chip viene mantenuto a temperature ultrafredde vicine allo zero assoluto.

Invece dei bit classici (che sono sempre 0 o 1), il chip quantistico utilizza qubit, che sfruttano la capacità degli elettroni di trovarsi in una miscela di stati. Un computer quantistico può eseguire alcune attività utilizzando un numero esponenzialmente inferiore di qubit rispetto ai bit di cui avrebbe bisogno un computer classico. Ad esempio, un computer classico richiede 1.024 bit per eseguire l’algoritmo RCS, mentre un computer quantistico richiede solo 10 qubit.

Cinque anni fa, un team di ricercatori di Google ha riferito su Nature 2, che un supercomputer classico impiegherebbe 10.000 anni per ricreare un RCS di 200 secondi eseguito sul proprio computer da 53 qubit. Quasi immediatamente l'affermazione venne criticata; I ricercatori del colosso tecnologico IBM hanno pubblicato una prestampa online 3, il che suggeriva che un supercomputer potesse effettivamente completare l'attività in pochi giorni. A giugno, Lu e i suoi colleghi hanno utilizzato potenti computer classici per falsificare il risultato in poco più di un minuto 4.

Il risultato 2019 di Google non è l'unico affetto da falsi classici. Nel giugno 2023, i ricercatori IBM e altri hanno riportato le prove 5 che il loro computer da 127 qubit potrebbe risolvere problemi matematici potenzialmente utili, che “vanno oltre i brutali calcoli classici”. Nel giro di poche settimane, diversi studi hanno dimostrato 6, 7 che gli approcci classici potrebbero continuare a competere.

Boixo e i suoi colleghi volevano capire in che modo il rumore rende i computer quantistici vulnerabili alle contraffazioni classiche. Hanno scoperto che anche piccole differenze nel tasso di errore dei qubit – dal 99,4% senza errori al 99,7% – fanno sì che Sycamore si comporti come se fosse in un nuovo stato, simile a come la materia cambia da solida a liquida.

"Ciò che [il rumore] fa è trasformare il sistema in qualcosa di classico", afferma Boixo. Una volta che una versione aggiornata di Sycamore con 67 qubit ha superato una certa soglia di rumore, il suo output RCS è diventato classicamente impossibile da simulare.

Negli ultimi due anni, i tentativi di superare i supercomputer classici si sono concentrati anche sulla riduzione del rumore dei qubit. Foss-Feig e i suoi colleghi hanno eseguito RCS su un computer quantistico da 56 qubit con un basso tasso di errore 8 Attraverso. Con qubit migliori, dice, “i computer classici non possono più competere con i computer quantistici, almeno per RCS”.

Un giorno, i ricercatori sperano che i computer quantistici siano abbastanza grandi e privi di errori da superare il conflitto tra computer quantistici e computer classici. Per ora si accontentano di combattere. “Se non riesci a ottenere un vantaggio in RCS, la più semplice delle applicazioni”, afferma Boixo, “non credo che tu possa vincere in nessun’altra applicazione”.

1. Morvan, A. et al. Natura 634, 328–333 (2024).

   Articolo Google Scholar

2. Arute, F. et al. Natura 574, 505–510 (2019).

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3. Pednault, E., Gunnels, J. A., Nannicini, G., Horesh, L. & Wisnieff, R. Preprint su arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. Zhao, X.-H. et al. Prestampa su arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. et al. Natura 618, 500–505 (2023).

   Articolo PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. et al. Prestampa su arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. & Kin-Lic Chan, G. Preprint su arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. et al. Prestampa su arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

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