Toby Cubitt: perché gli algoritmi accelereranno le applicazioni dei computer quantistici – Physics World

I computer quantistici sono molto promettenti perché potrebbero, almeno in linea di principio, risolvere alcuni problemi che non possono essere risolti nemmeno dai più potenti supercomputer convenzionali. Ma costruire bit quantistici, o qubit, e collegarli per creare pratici computer quantistici, è una sfida enorme. In particolare, i computer quantistici sono incredibilmente rumorosi, il che introduce rapidamente errori nei calcoli quantistici.

Ecco perché molti ricercatori stanno sviluppando algoritmi quantistici intelligenti in grado di eseguire calcoli utili anche sui computer quantistici piccoli e rumorosi di oggi. Un'azienda che contribuisce a questo sforzo è Fasecraft, che è stata scorporata dall'University College di Londra e dall'Università di Bristol nel 2019. Il fisico Toby Cubitt, co-fondatore e chief technology officer di Phasecraft, parla con Hamish Johnston di come le applicazioni nel mondo reale potrebbero essere proprio dietro l'angolo.

Perché hai creato inizialmente Phasecraft?

Abbiamo fondato Phasecraft perché il calcolo quantistico stava raggiungendo il punto in cui l’hardware del calcolo quantistico non era più solo un sistema giocattolo, ma spingeva i confini di ciò che poteva essere fatto sui computer convenzionali. Volevamo provare a sviluppare gli algoritmi necessari per utilizzare quell’hardware in fase iniziale e rendere le applicazioni quantistiche una realtà. È una sfida enorme dal punto di vista scientifico, ma affascinante in cui essere coinvolti.

Quanto è grande l'azienda al momento?

Al momento abbiamo circa 20 dipendenti a tempo pieno, circa un terzo dei quali ha un background in informatica quantistica o teoria dell'informazione quantistica, un terzo in scienza dei materiali, materia condensata e chimica e un terzo nel settore informatico. Hanno tutti una conoscenza dell'informatica quantistica, ma sono anche molto, molto bravi (e amano) programmare queste cose, implementarle e farle funzionare sull'hardware.

Sponsorizziamo studenti di dottorato che si trovano in luoghi come l'University College di Londra e l'Università di Bristol ma che lavorano direttamente qui negli uffici dell'azienda. Abbiamo anche molti stagisti, sia studenti universitari che dottorandi. Al momento siamo molto concentrati sulla ricerca e sullo sviluppo. Ma man mano che applicazioni utili diventano online, mi aspetto che le cose diventino molto più di natura commerciale.

Diresti che il software quantistico è stato ignorato a favore di tutto il clamore e l’entusiasmo per lo sviluppo di nuovi qubit e tecnologie di processore?

L’hardware è estremamente importante e merita l’attenzione che gli è stata riservata, poiché coinvolge alcuni aspetti affascinanti della fisica, della scienza dei materiali e dell’ingegneria. Ma per noi, dal punto di vista del software, si tratta di elaborare idee matematiche intelligenti per rendere gli algoritmi più efficienti e lavorare sugli odierni dispositivi quantistici su piccola scala e in fase iniziale. In effetti, è più probabile che facciamo progressi attraverso algoritmi migliori che aspettando miglioramenti nell’hardware.

Anche se l’hardware quantistico crescesse in modo esponenziale, potrebbe passare un decennio prima che si possa fare qualcosa di utile con esso. Inoltre, lavorare sugli algoritmi non richiede costosi criostati, frigoriferi a diluizione, elio liquido o chip: solo un gruppo di persone davvero intelligenti che pensano profondamente, che è ciò che abbiamo in Phasecraft. Alcuni anni fa, ad esempio, abbiamo sviluppato algoritmi per simulare la dinamica temporale dei sistemi quantistici che erano circa sei ordini di grandezza migliori di quelli di Google e Microsoft.

I processori quantistici sono rumorosi, il che significa che perdono rapidamente coerenza e rendono impossibili i calcoli. Come si sviluppano algoritmi pratici da eseguire su dispositivi imperfetti?

Il rumore e gli errori sono la rovina di tutte le applicazioni quantistiche sull'hardware reale. Sono stati apportati alcuni miglioramenti incredibili all’hardware, ma non possiamo presumere che i computer quantistici siano perfetti, come possiamo invece fare con i dispositivi classici. Quindi, con tutto ciò che facciamo in Phasecraft, dobbiamo pensare in termini di computer quantistici imperfetti e rumorosi che presentano errori. Esegui qualsiasi calcolo e gli errori si accumulano così velocemente che ottieni solo rumore - dati casuali - e hai perso tutte le informazioni quantistiche.

Per aggirare questo problema, è fondamentale rendere gli algoritmi il più efficienti possibile e renderli meno sensibili o suscettibili al rumore. È vero che negli anni ’1990 Pietro Shore ha sviluppato il concetto di correzione dell'errore quantistico e il Teorema della soglia tollerante agli errori, il che dimostra, in teoria, che anche su computer quantistici rumorosi è possibile eseguire calcoli quantistici arbitrariamente lunghi. Ma ciò richiede un numero così elevato di qubit che non possiamo contare su questa come soluzione.

Il nostro focus è quindi più un problema di tipo ingegneristico, in cui cerchiamo di capire come si presenta il rumore in dettaglio. Quanto meglio riusciamo a comprendere il rumore, tanto più possiamo progettare attorno ad esso in modo che non influenzi il risultato. Ma c’è un grande vantaggio perché se riesci a rendere un algoritmo meno complesso, puoi ottenere qualcosa di utile da questi rumorosi computer quantistici. È una questione di progettare gli algoritmi in modo da poterne ottenere di più.

Dico spesso che i computer quantistici di oggi sono dove erano i computer classici negli anni ’1950. Allora alla gente piaceva Alan Turing stavano escogitando idee davvero intelligenti su come spremere un po' di più dal goffo hardware primitivo e farci davvero cose incredibili. Questo è lo stadio in cui ci troviamo con l’informatica quantistica. In effetti, alcuni algoritmi a volte sono più adatti a un tipo di hardware piuttosto che a un altro.

In termini di hardware, che tipo di qubit stai utilizzando al momento?

Noi di Phasecraft siamo interessati a tutti i tipi di hardware. Prevalentemente, però, utilizziamo circuiti qubit superconduttori, perché questa è l’attuale piattaforma hardware leader. Ma stiamo eseguendo trappole ioniche anche su hardware ad atomi freddi e stiamo pensando anche a hardware fotonico. Ma non siamo legati a una piattaforma particolare.

L’attenzione di Phasecraft è sugli algoritmi che calcolano le proprietà dei materiali. Perché queste applicazioni sono così adatte ai primi computer quantistici di oggi?

Nell'industria, molte aziende spendono molto tempo e denaro utilizzando computer classici e ad alte prestazioni per elaborare le proprietà dei materiali. Il problema è che è molto impegnativo dal punto di vista computazionale, quindi finiscono per cercare di semplificare il problema. Ma il pericolo è che si possano sbagliare completamente le cose. Ad esempio, potresti finire per prevedere che un materiale sia un isolante quando in realtà è un conduttore. A volte può essere quel livello di errore.

Noi di Phasecraft ci concentriamo sulla modellazione e sulla simulazione dei materiali perché tali applicazioni sono quelle più vicine all'hardware attuale. Altre applicazioni, come l'ottimizzazione, sono più impegnative in termini di numero di qubit e porte necessarie. Con il miglioramento dell’hardware, le simulazioni di chimica quantistica diventeranno alla nostra portata. Sono più difficili da simulare rispetto ai materiali periodici e cristallini perché la complessità di un algoritmo nei sistemi molecolari scala il numero di orbitali elettronici alla potenza di quattro.

Puoi darci un assaggio di alcuni materiali specifici che hai esaminato?

Al momento, l’hardware non è ancora abbastanza grande per poter effettuare simulazioni di materiali reali oltre a quanto si può fare classicamente. Quindi siamo ancora nella fase in cui disponiamo degli algoritmi, ma non abbiamo ancora l’hardware su cui funzionare, anche se ci stiamo avvicinando. Detto questo, i tipi di materiali che rappresentano buoni bersagli per le applicazioni in fase iniziale dell’informatica quantistica sono legati all’energia pulita: materiali per batterie, cose come gli ossidi metallici.

Capita anche che siano quelli in cui gli algoritmi classici non funzionano molto bene, perché coinvolgono fortemente correlato elettroni. Lo stesso vale per il fotovoltaico. In effetti, abbiamo a collaborazione con Oxford PV, con cui sta lavorando fotovoltaico perovskite, dove stiamo ancora osservando sistemi di elettroni fortemente correlati. Ciò comporta la simulazione dinamica di cose come la velocità con cui le coppie particella-lacuna si ricombinano per emettere luce.

Abbiamo anche esaminato il vanadato di stronzio, che ha una bella struttura a bande, il che significa che può adattarsi a un computer quantistico più piccolo rispetto ad alcuni altri materiali. Non è il più piccolo, ma è un sistema di ossidi di metallo interessante e richiede meno qubit e meno porte rispetto ad altri ossidi di metallo.

Quando pensi che Phasecraft raggiungerà il punto di “vantaggio quantistico” in cui i tuoi algoritmi potranno funzionare su un processore quantistico e calcolare cose che un supercomputer non può calcolare?

Questa è la domanda da un milione di dollari. In effetti, è probabilmente la domanda da un miliardo di dollari. L’industria quantistica deve arrivare a quel punto in cui non si limiterà a dimostrare i problemi dei giocattoli, ma a risolvere problemi del mondo reale sui computer quantistici.

Spero di non sembrare il ragazzo che presumibilmente una volta detto ci sarebbero bisogno solo di tre computer al mondo, ma penso sinceramente che potremmo arrivarci nei prossimi due o tre anni. Queste prime domande potrebbero essere di interesse scientifico piuttosto che industriale: l’industria potrebbe essere un po’ oltre quel punto. Non si tratterà di spegnere i cluster di calcolo ad alte prestazioni (HPC) da un giorno all’altro e passare direttamente a un computer quantistico. È molto più probabile che si tratti di un processo graduale in base al quale sempre più cose utili arriveranno online. È così che funziona la scienza: fai progressi, incontri un ostacolo e poi fai altri progressi. Tende ad incastrarsi.

Il progresso dipende dal duro lavoro svolto da grandi team di scienziati che lavorano diligentemente per molti anni. Questo è ciò che sta accadendo nel campo dell’informatica quantistica, e le prime applicazioni potrebbero non fare notizia

Quando i media più ampi riferiscono di computer quantistici, tendono a presumere che enormi scoperte emergano dal nulla. Ma non lo fanno. Il progresso dipende dal duro lavoro svolto da grandi team di scienziati che lavorano diligentemente per molti anni. Questo è ciò che sta accadendo nel campo dell’informatica quantistica, e le prime applicazioni potrebbero non fare notizia. Ma gli scienziati se ne renderanno conto quando avremo superato quella soglia in cui sarà possibile fare cose impossibili con i computer convenzionali. Non siamo lontani.

Phasecraft ha recentemente ricevuto 13 milioni di sterline in finanziamenti privati. Cosa pensi di fare con quei soldi?

Per un’azienda di algoritmi quantistici come la nostra, la stragrande maggioranza dei finanziamenti va a pagare gli stipendi delle persone. Il nostro personale è la chiave: la nostra risorsa più preziosa è il nostro team. Per un’azienda di hardware è molto diverso, perché l’hardware è costoso. Ma abbiamo bisogno che le persone pensino e programmino in modo che il denaro ci permetta di espandere costantemente il nostro team.

Abbiamo sempre più idee di quante ne abbiamo a disposizione e, man mano che ci avviciniamo all’implementazione di calcoli di grandi dimensioni sui computer quantistici, aumenteremo il team. Ci vorranno ancora alcuni anni prima di avere applicazioni commercialmente rilevanti, ma quando ciò accadrà, attraverseremo un punto di flessione e l’intero settore cambierà. Siamo sempre desiderosi di parlare con persone intelligenti che sono entusiaste dell'utilizzo della meccanica quantistica per applicazioni nel mondo reale.

Quindi come si evolverà l’azienda?

Tutto ciò che serve è un’idea straordinaria ed eccezionale che potrebbe cambiare completamente l’intera industria quantistica. Desideriamo assicurarci di dare al nostro team di ricerca lo spazio per realizzare quel tipo di pensiero dal cielo blu che potrebbe cambiare il volto dell’azienda. Certo, non tutte le idee funzioneranno: le 20 potrebbero fallire, ma la 21 si rivelerà una nuova direzione significativa a cui nessun altro aveva pensato. È già successo un paio di volte a Phasecraft. Qualcuno si ispira e poi si apre una nuova direzione.

Gli algoritmi quantistici fanno un uso intelligente dell’hardware rumoroso

Ci troviamo in un momento estremamente entusiasmante per l’informatica quantistica. Io sono ancora professore alla UCL, e ce l'ho ancora un gruppo accademico lì, ma trovo entrambi gli aspetti – applicato e teorico – ugualmente interessanti dal punto di vista intellettuale. Ho teorizzato su alcuni argomenti per 20 anni ma non ho avuto gli strumenti per metterli in pratica. Ora, però, posso prendere quella teoria e renderla reale. Invece di limitarmi a scrivere un articolo, posso eseguire la mia idea sull'hardware.

Certo, potrebbe non funzionare affatto. Potrebbe risultare che l’universo reale dica: “No. Non è una buona idea”. Ma potrebbe comunque essere un problema incredibilmente utile e affascinante da affrontare. E quindi il lato applicato della ricerca – applicare questa fisica alla tecnologia – lo trovo altrettanto affascinante e interessante quanto il pensiero accademico a cielo aperto.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/