I fisici finalmente trovano un problema che solo i computer quantistici possono risolvere | Rivista Quanti

I computer quantistici sono pronti a diventare superpoteri computazionali, ma i ricercatori hanno cercato a lungo un problema praticabile che conferisca un vantaggio quantistico, qualcosa che solo un computer quantistico può risolvere. Solo allora, sostengono, la tecnologia sarà finalmente considerata essenziale.

Lo cercano da decenni. "Parte del motivo per cui è impegnativo è perché i computer classici sono abbastanza bravi in ​​molte delle cose che fanno", ha detto Giovanni Preskill, fisico teorico presso il California Institute of Technology.

Nel 1994, Lo ha scoperto Peter Shor una possibilità: un algoritmo quantistico per fattorizzare grandi numeri. L'algoritmo di Shor è potente e ampiamente ritenuto in grado di battere tutti gli algoritmi classici; se eseguito su un computer quantistico, ha il potenziale per violare gran parte dei sistemi di sicurezza di Internet, che si basano sulla difficoltà di fattorizzare grandi numeri. Ma per quanto impressionante sia, l’algoritmo è rilevante solo per una ristretta fetta di aree di ricerca, ed è possibile che domani qualcuno trovi un modo efficiente per fattorizzare grandi numeri su una macchina classica, rendendo discutibile l’algoritmo di Shor. La ristretta applicabilità di Shor ha portato la comunità di ricerca a cercare altri casi d'uso per le macchine quantistiche che potrebbero effettivamente aiutare a fare nuove scoperte scientifiche.

"Non vogliamo costruire un computer solo per un singolo compito", ha detto Presto ha vinto Choi, un fisico del Massachusetts Institute of Technology. "Oltre all'algoritmo di Shor, cos'altro possiamo fare con un computer quantistico?"

Come dice Preskill, “Dobbiamo trovare quei problemi che sono classicamente difficili, ma poi dobbiamo [dimostrare] che i metodi quantistici saranno davvero efficienti”.

Alcune volte, i ricercatori pensavano di esserci riusciti, scoprendo algoritmi quantistici in grado di risolvere i problemi più velocemente di qualsiasi cosa potesse fare un computer classico. Ma poi qualcuno, spesso il giovane ricercatore Ewin Tang – ha ideato nuovi algoritmi classici intelligenti che potrebbero sovraperformare quelli quantistici.

Ora, un team di fisici, incluso Preskill, potrebbe averlo fatto trovato il miglior candidato finora per il vantaggio quantistico. Studiando l’energia di alcuni sistemi quantistici, hanno scoperto una domanda specifica e utile a cui è facile rispondere per una macchina quantistica, ma ancora difficile per una macchina classica. “Si tratta di un progresso importante nella teoria degli algoritmi quantistici”, ha affermato Sergej Bravyi, fisico teorico e informatico dell'IBM. “Il loro risultato è un vantaggio quantistico per un problema di rilevanza per la chimica e le scienze dei materiali”.

I ricercatori sono inoltre entusiasti del fatto che il nuovo lavoro esplori nuove aree inaspettate delle scienze fisiche. "Questa nuova capacità è qualitativamente diversa [da quella di Shor] e potenzialmente apre molte nuove opportunità nel mondo degli algoritmi quantistici", ha affermato Choi.

Il problema ha a che fare con le proprietà dei sistemi quantistici (tipicamente gli atomi) in vari stati energetici. Quando gli atomi saltano da uno stato all'altro, le loro proprietà cambiano. Potrebbero emettere un particolare colore di luce, ad esempio, o diventare magnetici. Se vogliamo prevedere meglio le proprietà del sistema nei vari stati energetici, è utile comprendere il sistema quando si trova nel suo stato meno eccitato, che gli scienziati chiamano stato fondamentale.

"Molti chimici, scienziati dei materiali e fisici quantistici stanno lavorando per trovare gli stati fondamentali", ha detto Roberto Huang, uno dei nuovi autori dell'articolo e ricercatore presso Google Quantum AI. "È noto che è estremamente difficile."

È così difficile che, dopo più di un secolo di lavoro, i ricercatori non sono ancora riusciti a trovare un approccio computazionale efficace per determinare lo stato fondamentale di un sistema partendo dai principi primi. Né sembra esserci alcun modo per un computer quantistico di farlo. Gli scienziati hanno concluso che trovare lo stato fondamentale di un sistema è difficile sia per i computer classici che per quelli quantistici.

Ma alcuni sistemi fisici presentano un panorama energetico più complesso. Una volta raffreddati, questi sistemi complessi si accontentano di stabilizzarsi non nel loro stato fondamentale, ma piuttosto a un vicino livello energetico basso, noto come livello energetico minimo locale. (Parte del Premio Nobel per la fisica 2021 è stato assegnato per il lavoro svolto in uno di questi sistemi, noto come gira gli occhiali.) I ricercatori iniziarono a chiedersi se anche la questione della determinazione del livello energetico minimo locale di un sistema fosse universalmente difficile.

Le risposte hanno iniziato ad emergere l'anno scorso, quando Chi-Fang (Anthony) Chen, un altro autore del recente articolo, ha contribuito a sviluppare un nuovo algoritmo quantistico che potrebbe simulare la termodinamica quantistica (che studia l’impatto di calore, energia e lavoro su un sistema quantistico). "Penso che molte persone abbiano [ricercato] la domanda su come appare il panorama energetico nei sistemi quantistici, ma in precedenza non esistevano strumenti per analizzarlo", ha detto Huang. L'algoritmo di Chen ha contribuito ad aprire una finestra sul funzionamento di questi sistemi.

Dopo aver visto quanto fosse potente il nuovo strumento, Huang e Leone Zhou, il quarto e ultimo autore del nuovo articolo, lo ha utilizzato per progettare un modo in cui i computer quantistici possano determinare lo stato energetico minimo locale di un sistema, piuttosto che inseguire lo stato fondamentale ideale: un approccio incentrato proprio sul tipo di domanda che i ricercatori dell'informatica quantistica cercavano. “Ora abbiamo un problema: trovare una quantità locale di energia, che è ancora difficile in termini classici, ma che possiamo dire sia quantisticamente facile”, ha detto Preskill. “Quindi questo ci mette nell’arena in cui vogliamo essere per il vantaggio quantistico”.

Guidati da Preskill, gli autori non solo hanno dimostrato la potenza del loro nuovo approccio per determinare lo stato energetico minimo locale di un sistema – un importante progresso nel campo della fisica quantistica – ma hanno anche dimostrato che questo era finalmente un problema in cui i computer quantistici potevano mostrare il loro valore. “Il problema di trovare il minimo locale presenta un vantaggio quantico”, ha detto Huang.

E a differenza dei candidati precedenti, questo probabilmente non sarà detronizzato da nessun nuovo algoritmo classico. "[È] improbabile che venga dequantizzato", ha detto Choi. Il team di Preskill ha fatto ipotesi molto plausibili e ha fatto pochi passi logici; se un algoritmo classico può ottenere gli stessi risultati, significa che i fisici devono sbagliarsi su molte altre cose. “Sarà un risultato scioccante”, ha detto Choi. "Sarò entusiasta di vederlo, ma sarà troppo scioccante per crederci." Il nuovo lavoro presenta un candidato trattabile e promettente per dimostrare il vantaggio quantistico.

Per essere chiari, il nuovo risultato è ancora di natura teorica. Dimostrare questo nuovo approccio su un vero computer quantistico è attualmente impossibile. Ci vorrà del tempo per costruire una macchina in grado di testare a fondo il vantaggio quantistico del problema. Quindi per Bravyi il lavoro è appena iniziato. "Se guardate cosa è successo cinque anni fa, avevamo solo pochi computer quantistici a qubit, e ora abbiamo già centinaia o addirittura macchine da 1,000 qubit", ha detto. “È molto difficile prevedere cosa accadrà tra cinque o dieci anni. È un campo molto dinamico”.

Correzione: 12 Marzo 2024
Questo articolo è stato modificato per descrivere più chiaramente la ricerca di un problema con vantaggio quantistico.