Cosa significa aver raggiunto la supremazia quantistica

Oggi, nel numero che celebra il 150° anno di vita, Nature ha pubblicato la notizia che un team di ricercatori di Google ha realizzato un grande passo in avanti nell’informatica quantistica, sperimentando con successo quella che viene definita supremazia quantistica. Si tratta di un termine particolare che sta a significare che è stato utilizzato un computer quantistico per risolvere un problema che impegnerebbe un computer tradizionale per un tempo impraticabilmente lungo. “Questo evento – scrive Sundar Pichai, CEO di Google, nel blog della società – rappresenta una pietra miliare nello sforzo di sfruttare i principi della meccanica quantistica per risolvere i problemi computazionali.” 

Mentre siamo entusiasti di ciò che ci aspetta, siamo anche molto onorati del viaggio fatto per arrivare fin qui. Così come siamo consapevoli della saggezza che ci ha lasciato il grande premio Nobel Richard Feynman: “Se pensi di capire la meccanica quantistica, non capisci la meccanica quantistica.

In molti casi, la costruzione di un computer quantistico è un lungo percorso in tutto ciò che ancora non capiamo sul mondo che ci circonda. Mentre l’universo opera fondamentalmente a livello quantico, gli esseri umani non lo interpretano in questo modo. In effetti, molti principi della meccanica quantistica contraddicono direttamente le nostre osservazioni più semplici della natura. Eppure le proprietà della meccanica quantistica hanno un enorme potenziale per l’informatica. 

Un bit in un computer classico può memorizzare informazioni come 0 o 1. Un bit quantico, o qubit, può essere contemporaneamente 0 e 1, una proprietà chiamata sovrapposizione. Quindi se hai due bit quantici, ci sono quattro possibili stati che puoi mettere in sovrapposizione e quelli crescono in modo esponenziale. Con 333 qubit ci sono 2^333, o 1,7×10^100 — un Googol — stati computazionali che puoi mettere in sovrapposizione, permettendo a un computer quantistico di esplorare simultaneamente un ricco spazio di molte possibili soluzioni a un problema.

Man mano che aumentiamo le possibilità computazionali, sblocchiamo nuovi calcoli. 

Per dimostrare la supremazia – prosegue Pichai – la nostra macchina quantistica ha eseguito con successo un calcolo di prova in soli 200 secondi, calcolo che avrebbe impegnato i più potenti supercomputer per migliaia di anni. Siamo in grado di raggiungere queste enormi velocità solo grazie alla qualità del controllo che abbiamo sui qubit. I computer quantistici sono inclini a errori, ma il nostro esperimento ha dimostrato la capacità di eseguire un calcolo con pochi errori sufficienti su una scala abbastanza grande da sovraperformare un computer classico”.

Per quelli di noi che lavorano nel campo della scienza e della tecnologia, è l’”Hello World” che stavamo aspettando: la pietra miliare più significativa fino ad oggi nella ricerca per rendere il calcolo quantistico una realtà. Ma abbiamo ancora molta strada da percorrere tra gli esperimenti di laboratorio di oggi e le applicazioni pratiche di domani; ci vorranno molti anni prima di poter implementare un insieme più ampio di applicazioni nel mondo reale.” 

Possiamo pensare alle notizie di oggi nel contesto della costruzione del primo razzo che ha lasciato con successo la gravità terrestre per toccare il bordo dello spazio. All’epoca alcuni si chiedevano: perché andare nello spazio senza ottenere nulla di utile? Ma è stata una grande novità per la scienza perché ha permesso agli umani di immaginare un viaggio completamente diverso … sulla luna, su Marte, verso le galassie oltre la nostra. Ci ha mostrato ciò che era possibile aprendo le porte a quello che sembrava impossibile. 

Questo è ciò che rappresenta questo traguardo per il mondo dell’informatica quantistica: un momento di possibilità. 

Per Google è stato un viaggio durato 13 anni: nel 2006, lo scienziato di Google Hartmut Neven ha iniziato a esplorare l’idea di come il calcolo quantistico avrebbe potuto aiutare i nostri sforzi per accelerare l’apprendimento automatico. Questo lavoro ha portato alla fondazione del team Google AI Quantum al quale, nel 2014, si è unito John Martinis e il suo team dell’Università della California a Santa Barbara mettendo in comune le energie per costruire un computer quantistico. 

Due anni dopo, Sergio Boixo ha pubblicato un documento che illustrava i nostri sforzi verso l’obiettivo ben definito della supremazia quantistica, e ora il team ha costruito il primo sistema quantistico al mondo che supera le capacità dei supercomputer in questo particolare calcolo.”

Abbiamo condotto questi primi studi perché credevamo, e lo facciamo ancora, che l’informatica quantistica possa accelerare soluzioni per alcuni dei problemi più urgenti del mondo, dai cambiamenti climatici alle malattie. Dato che la natura segue i principi della meccanica quantistica, il calcolo quantico ci offre le migliori possibilità di comprendere e simulare il mondo naturale a livello molecolare. Con questo esperimento, siamo ora un passo avanti nell’applicazione dell’informatica quantistica, ad esempio per progettare batterie più efficienti, creare fertilizzanti utilizzando meno energia e capire quali molecole potrebbero rendere più efficaci le medicine.” 

Queste applicazioni sono ancora lontane molti anni: noi ci impegniamo a costruire il computer quantistico con meno errori in grado di alimentare queste scoperte. Abbiamo sempre saputo che sarebbe stata una maratona, non uno sprint. Quando si tenta di costruire qualcosa che non è mai stata realizzata, non c’è un manuale d’istruzioni. Se il team aveva bisogno di un particolare elemento, doveva inventarselo e costruirselo da solo. E quando non funzionava, e spesso non funzionava, bisognava ricominciare tutto daccapo. Un punto di svolta è arrivato nell’ottobre 2018, quando gli incendi stavano devastando il sud della California. Ho ricevuto un messaggio secondo cui avrebbero dovuto chiudere, per precauzione, il laboratorio di Santa Barbara per alcuni giorni. Quello che non sapevo era che il team stava vivendo uno di quei periodi in cui i progressi erano praticamente nulli. I pochi giorni di ferie forzate hanno aiutato il team a reimpostare e pensare alle cose in modo diverso, e pochi mesi dopo, ecco il grande risultato.” 

Come con qualsiasi tecnologia avanzata, il calcolo quantistico solleva ansie e domande. Nel pensare a questi problemi, stiamo seguendo una serie di principi di intelligenza artificiale che abbiamo sviluppato per aiutare a guidare l’innovazione responsabile nell’ambito delle tecnologie avanzate. Ad esempio, per molti anni quanti si occupano di sicurezza hanno lavorato, con i contributi di Google, sulla crittografia post-quantistica; ciò ci rende ottimisti rispetto ai futuri problemi di crittografia. Continueremo a pubblicare ricerche e ad aiutare la comunità più ampia a sviluppare algoritmi di crittografia quantistica utilizzando il nostro framework open source Cirq. Abbiamo apprezzato il supporto della National Science Foundation per i nostri ricercatori e abbiamo collaborato con la NASA Ames e Oak Ridge National Laboratory su questo ultimo risultato. Come nel caso di Internet e dell’apprendimento automatico, il sostegno del governo alla ricerca di base rimane fondamentale per i risultati scientifici e tecnologici a lungo termine.”

Sono entusiasta di cosa significhi l’informatica quantistica per il futuro di Google e del mondo. Parte di questo ottimismo deriva dalla natura della tecnologia stessa. Puoi tracciare facilmente i progressi dai mega-computer degli anni ’50 ai progressi che facciamo oggi nell’ambito dell’intelligenza artificiale per aiutare le persone nella loro vita quotidiana.” 

L’informatica quantistica sarà un ottimo complemento del lavoro che facciamo (e continueremo a fare) sui computer classici. In un certo senso il quantum porta il calcolo al punto di partenza, dandoci un altro modo di parlare il linguaggio dell’universo e comprendere il mondo e l’umanità non solo in 1s e 0s ma in tutti i suoi stati: bello, complesso e con possibilità illimitate.”

Aggiornamento del 25/10:

L’annuncio di Google ha lasciato piuttosto scettici gli addetti ai lavori, in particolare i diretti concorrenti come IBM e Intel.

Secondo IBM l’esperimento ha poco senso perché l’incredibile risultato è stato ottenuto solo in un ambito molto specifico, senza possibili ulteriori ricadute sulla vita reale o per aprire nuove strade di ricerca.

Anche secondo Rich Uhlig, vice presidente senior di Intel, la ricerca dovrebbe essere rivolta a dimostrare la “praticità quantistica” piuttosto che la supremazia. Per avere un’idea di cosa significherebbe raggiungere la praticità quantistica, i ricercatori di Intel hanno utilizzato il proprio simulatore quantistico ad alte prestazioni per prevedere il punto in cui un computer quantistico potrebbe superare un supercomputer per risolvere un problema di ottimizzazione chiamato Max-Cut. “Abbiamo scelto Max-Cut come banco di prova perché è ampiamente utilizzato in tutto, dalla gestione del traffico alla progettazione elettronica, e perché è un algoritmo che diventa esponenzialmente più complicato all’aumentare del numero di variabili”. Ha dichiarato Rich Uhlig.

Dopo approfondite simulazioni, la ricerca Intel suggerisce che ci vorranno almeno centinaia, se non migliaia, di qubit in grado di funzionare in maniera affidabile prima che i computer quantistici siano in grado di affrontare i problemi pratici più velocemente dei supercomputer”.

In altre parole, potrebbero passare anni prima che l’industria possa sviluppare un processore quantico funzionale di queste dimensioni, quindi c’è ancora molto lavoro da fare.

La replica di Sundar Pichai è stata piuttosto piccata: “La mia risposta su questo argomento è che la supremazia quantistica è un termine tecnico del settore. Quanti lavorano in questo campo capiscono esattamente cosa significa il traguardo che abbiamo raggiunto“.

blog.google

 

 

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