Come rendere utili i computer quantistici? IBM svela la sua roadmap del software quantistico

IBM aveva annunciato la propria roadmap per l'hardware a settembre 2020 e in tale occasione aveva affermato che porterà sul mercato il suo primo processore quantistico a 1.000 qubit entro il 2023. Ora l'azienda aggiunge un altro importante tassello al complesso puzzle quantistico: il software. IBM ha infatti pubblicato un articolo, firmato tra gli altri dal vice presidente di IBM Quantum Jay Gambetta, in cui spiega a che punto è lo sviluppo del software per i computer quantistici e cosa ci si può aspettare dall'azienda nel corso dei prossimi anni.

Il software come chiave del futuro per i computer quantistici di IBM

I primi computer classici erano macchine complesse, difficili da utilizzare, con linguaggi di programmazione che richiedevano una conoscenza diretta della macchina sottostante e del suo funzionamento, talvolta con elementi poco logici. Difficoltà simili emergono con i computer quantistici: attualmente bisogna conoscerne da vicino il funzionamento, e di conseguenza la fisica sottostante ad esso, per poter creare programmi.

IBM vuole cambiare questo stato delle cose e rendere l'uso dei computer quantistici più semplice e aperto a un maggior numero di persone. I computer classici sono diventati maggiormente utilizzati non solo quando il loro costo è diventato più basso, ma anche (e forse soprattutto) quando sono diventati più semplici da utilizzare. In altre parole, quando le competenze per poterli programmare e per poter far svolgere loro i compiti desiderati sono diventate alla portata di un pubblico più vasto. Lo stesso avverrà per i computer quantistici.

Gambetta scrive che "creare le giuste condizioni affinché i computer quantistici trasformino l'ecosistema dei computer nel senso più ampio all'interno di questo decennio è uno sforzo gargantuesco. Dobbiamo incorporare gli scorsi 50 anni di lezioni imparate dai computer classici per accelerare l'integrazione di sistemi quantistici e classici a una velocità astronomica." La soluzione individuata è quella dell'open source.

IBM afferma che sarà necessario procedere per passi, che identifica in questo modo:

• sviluppo di circuiti quantistici ad alte prestazioni, ovvero di elaborazioni condotte da computer quantistici e controllate da computer classici. In un certo senso sono assimilabili alle operazioni batch effettuate sui vecchi mainframe: routine di calcolo coerenti e ordinate. Per descrivere queste operazioni IBM parla di "kernel": il termine non è da confondere con quello usato nell'ambito dei sistemi operativi, ma va preso dall'ambito matematico (dai cosiddetti "metodi kernel"). Si tratta di metodi per l'analisi dei dati che risultano particolarmente utili per effettuare i calcoli in ambito quantistico. Si potrebbe dire che lo sviluppo di questi metodi sia equiparabile allo sviluppo delle istruzioni in linguaggio assembly per i computer tradizionali;
• sviluppo di algoritmi quantistici sulla base dei circuiti quantistici, così da permettere lo sviluppo di programmi che possano avvantaggiarsi delle caratteristiche dei computer quantistici e, in via teorica, offrire tempi di elaborazione inferiori. Per continuare il paragone con i computer classici, questo è lo sviluppo di librerie;
• sviluppo di programmi complessi in cui questi algoritmi vengono utilizzati per sviluppare modelli da applicare nel campo della fisica, della chimica, della scienza dei materiali, della biologia, della ricerca operativa, del machine learning e della finanza.

La tabella di marcia che IBM ha definito prevede che entro quest'anno siano resi disponibili i circuiti tramite Qiskit, di cui parleremo a breve, mentre dal 2023 saranno rese disponibili le librerie di circuiti e degli algoritmi quantistici preconfezionati che permetteranno di costruire modelli applicabili a vari campi. Il tutto sarà reso possibile da strumenti open source sviluppati da e con la comunità e che verranno integrati all'interno dell'ambiente di IBM a beneficio di tutti gli utenti.

Qiskit è un ambiente di esecuzione dei programmi che promette di velocizzare notevolmente i circuiti quantistici e di permettere l'archiviazione dei programmi così che possano essere riutilizzati. È composto da un insieme di computer quantistici e classici che operano in sincronia, così da rendere i calcoli più veloci: IBM stima che l'esecuzione diventerà 100 volte più veloce, tanto che calcoli per cui ora servono mesi richiederanno invece poche ore.

IBM si aspetta di "offrire intere famiglie di runtime pre-costruiti realizzati su misura per [i vari] campi, invocabili da API basate sul cloud usando diversi framework di sviluppo comuni." L'obiettivo finale è quello di permettere ad aziende e ricercatori di utilizzare i computer quantistici senza nemmeno rendersene conto e senza dover conoscere la fisica quantistica. "Speriamo che entro il 2030 le aziende e gli utenti eseguano miliardi, se non migliaia di miliardi di circuiti quantistici al giorno, magari senza nemmeno rendersi conto di farlo", scrive l'azienda.

Di nuovo, il parallelo con l'evoluzione dei computer classici è inevitabile. Rispetto al passato, però, abbiamo molta più esperienza a guidarci e proprio questo elemento fondamentale potrebbe portare all'accelerazione sperata nello sviluppo delle tecnologie quantistiche. Si tratta di una sfida importante, che si spera porterà a trovare nuovi farmaci o a nuovi materiali se sarà vinta. In questo momento IBM e le altre aziende impegnate nello sviluppo dei computer quantistici e degli strumenti associati ad essi stanno ponendo le fondamenta di questo futuro.