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Il chip quantistico impiega microsecondi per eseguire un compito su cui un supercomputer trascorrerebbe 9,000 anni

Timestamp: 7 giugno 2022 10:00
fotoni di vantaggio quantistico calcolo basato sulla luce

I computer quantistici sono sopravvalutati?

Un nuovo studio in Natura dice no. Un dispositivo quantistico progettato in modo intelligente sviluppato da Xanadu, una società con sede a Toronto, in Canada, ha cancellato i computer convenzionali su un'attività di riferimento che altrimenti richiederebbe oltre 9,000 anni.

Per il chip quantistico Borealis, le risposte sono arrivate entro 36 microfonosecondi.

Il risultato di Xanadu è l'ultimo a dimostrare il potere del quantistico informatica rispetto ai computer convenzionali, un'idea apparentemente semplice soprannominata vantaggio quantistico.

Teoricamente, il concetto ha un senso. A differenza dei computer convenzionali, che calcolano in sequenza utilizzando bit binari, 0 o 1, i dispositivi quantistici attingono alla stranezza del mondo quantistico, dove 0 e 1 possono esistere entrambi contemporaneamente con probabilità diverse. I dati vengono elaborati in qubit, un'unità non vincolante che esegue contemporaneamente più calcoli grazie alla sua fisica unica.

Traduzione? Un computer quantistico è come un multitasker iperefficiente, mentre i computer convenzionali sono molto più lineari. Quando viene dato lo stesso problema, un computer quantistico dovrebbe essere in grado di superarne uno supercomputer in qualsiasi problema in termini di velocità ed efficienza. L'idea, soprannominata "supremazia quantistica", è stata la forza trainante per spingere per una nuova generazione di computer completamente estranea a qualsiasi cosa realizzata in precedenza.

Il problema? Dimostrare la supremazia quantistica è estremamente difficile. Man mano che i dispositivi quantistici lasciano sempre più il laboratorio per risolvere più problemi del mondo reale, gli scienziati stanno adottando un benchmark intermedio: il vantaggio quantistico, che è l'idea che un computer quantistico può battere uno convenzionale in un solo compito, qualsiasi compito.

Nel 2019, Google ha rotto internet mostrando il primo esempio di computer quantistico, Sycamore, che risolve un problema computazionale in soli 200 secondi con 54 qubit, rispetto alla stima di un supercomputer convenzionale di 10,000 anni. Una squadra cinese presto seguì una seconda affascinante vetrina del vantaggio computazionale quantistico, con la macchina che sputava risposte che avrebbero richiesto a un supercomputer più di due miliardi di anni.

Tuttavia rimane una domanda cruciale: qualcuno di questi dispositivi quantistici è anche vicino all'essere pronto per l'uso pratico?

Una drastica riprogettazione

È facile dimenticare che i computer fanno affidamento sulla fisica. Il nostro sistema attuale, ad esempio, attinge elettroni e sapientemente progettato chip per svolgere le loro funzioni. I computer quantistici sono simili, ma si basano su una fisica delle particelle alternativa. Le prime generazioni di macchine quantistiche sembravano lampadari delicati e scintillanti. Sebbene assolutamente stupendi, rispetto a un chip per smartphone compatto, sono anche completamente impraticabili. L'hardware richiede spesso climi strettamente controllati, ad esempio una temperatura prossima allo zero assoluto, per ridurre le interferenze e aumentare l'efficienza del computer.

Il concetto centrale del calcolo quantistico è lo stesso: qubit che elaborano i dati in sovrapposizione, una stranezza della fisica quantistica che consente loro di codificare 0, 1 o entrambi contemporaneamente. L'hardware che supporta l'idea è molto diverso.

Sycamore di Google, ad esempio, utilizza anelli metallici superconduttori, una configurazione popolare con altri giganti della tecnologia tra cui IBM, che ha introdotto Eagle, un potente Chip quantistico da 127 qubit nel 2021 è circa la dimensione di un quarto. Altre iterazioni da aziende come Honeywell e IonQ ha adottato un approccio diverso, sfruttando gli ioni - atomi con uno o più elettroni rimossi - come fonte principale per il calcolo quantistico.

Un'altra idea si basa sui fotoni, o particelle di luce. Si è già dimostrato utile: la dimostrazione cinese del vantaggio quantistico, ad esempio, utilizzava un dispositivo fotonico. Ma l'idea è stata anche evitata come un semplice trampolino di lancio verso l'informatica quantistica piuttosto che una soluzione pratica, in gran parte a causa delle difficoltà di progettazione e configurazione.

Una rivoluzione fotonica

La squadra di Xanadu ha dimostrato che gli oppositori si sbagliavano. Il nuovo chip, Borealis, è leggermente simile a quello dello studio cinese in quanto utilizza fotoni, anziché materiali o ioni superconduttori, per il calcolo.

Ma ha un enorme vantaggio: è programmabile. "Gli esperimenti precedenti si basavano in genere su reti statiche, in cui ogni componente veniva riparato una volta fabbricato", ha spiegato Il dottor Daniel Jost Brod dell'Università Federale Fluminense di Rio de Janeiro in Brasile, che non è stato coinvolto nello studio. La precedente dimostrazione del vantaggio quantistico nello studio cinese utilizzava un chip statico. Con Borealis, invece, gli elementi ottici "possono essere tutti facilmente programmati", rendendolo meno un dispositivo monouso e più un vero e proprio computer potenzialmente in grado di risolvere molteplici problemi. (Il parco giochi quantistico è disponibile sul cloud chiunque possa sperimentare ed esplorare una volta che ti sei registrato.)

La flessibilità del chip deriva da un ingegnoso aggiornamento del design, uno "schema innovativo [che] offre un controllo impressionante e un potenziale di ridimensionamento", ha affermato Brod.

La squadra si è concentrata su un problema chiamato Campionamento del bosone gaussiano, un punto di riferimento per la valutazione delle capacità di calcolo quantistico. Il test, sebbene straordinariamente difficile dal punto di vista computazionale, non ha molto impatto sui problemi del mondo reale. Tuttavia, come gli scacchi o Go per misurare le prestazioni dell'IA, agisce come un giudice imparziale per esaminare le prestazioni del calcolo quantistico. È una sorta di "gold standard": "Il campionamento del bosone gaussiano è uno schema progettato per dimostrare i vantaggi dei dispositivi quantistici rispetto ai computer classici", ha spiegato Brod.

L'installazione è come una tenda a specchio da luna park in un film dell'orrore. Stati speciali di luce (e fotoni), chiamati in modo divertente "stati spremuti”—sono incanalati nel chip incorporato con una rete di divisori di raggio. Ogni divisore di raggio agisce come uno specchio semi-riflettente: a seconda di come la luce colpisce, si divide in più figlie, con alcune che si riflettono indietro e altre che passano attraverso. Alla fine dell'aggeggio c'è una serie di rivelatori di fotoni. Più divisori di fascio, più difficile è calcolare come un singolo fotone finirà su un determinato rivelatore.

Come un'altra visualizzazione: immagina una macchina per fagioli, una tavola costellata di pioli racchiusa nel vetro. Per giocare, fai cadere un disco nei pioli in alto. Quando il disco cade, colpisce casualmente diversi pioli, finendo per atterrare in uno slot numerato.

Il campionamento del bosone gaussiano sostituisce i dischi con i fotoni, con l'obiettivo di rilevare quale fotone atterra in quale slot del rivelatore. A causa delle proprietà quantistiche, le possibili distribuzioni risultanti crescono in modo esponenziale, superando rapidamente qualsiasi potenza del supercomputer. È un benchmark eccellente, ha spiegato Brod, soprattutto perché comprendiamo la fisica sottostante e l'impostazione suggerisce che anche poche centinaia di fotoni possono sfidare i supercomputer.

Raccogliendo la sfida, il nuovo studio ha reinventato un dispositivo quantistico fotonico con 216 qubit ammirevoli. Contraddicendo i progetti classici, il dispositivo ha calcolato i fotoni nei bin di tempo di arrivo piuttosto che il precedente standard di direzione. Il trucco consisteva nell'introdurre anelli di fibre ottiche per ritardare i fotoni in modo che possano interferire in punti specifici importanti per il calcolo quantistico.

Queste modifiche hanno portato a un dispositivo notevolmente ridotto. La solita grande rete di divisori di raggio, normalmente necessari per le comunicazioni di fotoni, può essere ridotta a soli tre per accogliere tutti i ritardi necessari affinché i fotoni interagiscano e calcolino l'attività. I progetti di loop, insieme ad altri componenti, sono anche "facilmente programmabili" in quanto un divisore di raggio può essere messo a punto in tempo reale, come la modifica del codice del computer, ma a livello di hardware.

Il team ha anche superato un controllo di integrità standard, certificando che i dati di output erano corretti.

Per ora, gli studi che mostrano in modo affidabile la supremazia quantistica rimangono rari. I computer convenzionali hanno un vantaggio di mezzo secolo. Mentre gli algoritmi continuano a evolversi sui computer convenzionali, in particolare quelli che attingono a potenti chip incentrati sull'intelligenza artificiale o neuromorfico progettazioni informatiche: possono persino superare facilmente le prestazioni dei dispositivi quantistici, lasciandoli in difficoltà per recuperare il ritardo.

Ma questo è il divertimento dell'inseguimento. “Il vantaggio quantistico non è una soglia ben definita, basata su un'unica figura di merito. E con lo sviluppo degli esperimenti, lo saranno anche le tecniche per simularli: possiamo aspettarci che dispositivi quantistici da record e algoritmi classici nel prossimo futuro si sfideranno a vicenda per il primo posto", ha affermato Brod.

"Potrebbe non essere la fine della storia", ha continuato. Ma il nuovo studio "è un balzo in avanti per la fisica quantistica in questa corsa".

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