D-Wave risolve un problema con il suo computer quantistico che richiederebbe 700 milioni di anni sul supercomputer più potente

È dall'inizio del loro sviluppo che si presume che i computer quantistici siano in grado di offrire prestazioni inarrivabili per i computer classici in alcune specifiche classi di problemi. Tutte le affermazioni di aver dimostrato questa superiorità, o questo "vantaggio", come viene definito oggigiorno, sono finora state sconfessate. D-Wave, uno dei primi produttori di computer quantistici, ha ora pubblicato un nuovo studio in cui afferma di essere riuscita a risolvere uno specifico tipo di problema con prestazioni inaccessibili a qualunque computer classico.

La ricottura quantistica e le simulazioni

I computer quantistici di D-Wave non sono dispositivi generalisti, in grado di effettuare qualunque calcolo e risolvere qualunque problema. Non sono, in altri termini, pensati per rimpiazzare i computer classici o per eseguire calcoli come quelli necessari per rompere i cifrari classici. Si tratta invece di dispositivi progettati per risolvere problemi di ottimizzazione matematica: i qubit vengono posti in uno stato di eccitazione e vengono poi lasciati interagire tra di loro fino a che non viene raggiunto un equilibrio, che corrisponde a uno stato energetico di base: tale stato è la soluzione del problema iniziale. Questo approccio si chiama "ricottura quantistica".

Rappresentazione del modello di Ising (fonte: Wikipedia)

Nello studio pubblicato da D-Wave, l'azienda ha dimostrato come i suoi computer siano in grado di risolvere uno specifico problema di ottimizzazione meglio di qualunque computer classico (usando gli algoritmi attualmente noti): il problema è noto come modello di Ising (o di Lenz-Ising) ed è un modello matematico del ferromagnetismo, in cui alcuni atomi sono disposti in una griglia all'interno della quale interagiscono i momenti dei dipoli magnetici degli spin atomici, rappresentati da un valore "1" o "-1". Gli spin atomici interagiscono con i propri vicini e s'influenzano a vicenda, fino a raggiungere uno stato di equilibrio che, però, può essere disturbato da eventi esterni, come l'immissione di calore nel sistema. Rappresentare correttamente il modello di Ising è un problema reale che si cerca di risolvere da un centinaio d'anni fa, quando fu proposto per la prima volta.

D-Wave aveva già proposto una possibile soluzione del modello di Ising, ma aveva anche affermato di non essere certa che i computer quantistici potessero effettuare i calcoli in maniera sicuramente più veloce rispetto a quelli classici. Nel nuovo studio, l'azienda afferma invece senza mezzi termini di aver dimostrato come i suoi computer siano superiori a quelli classici.

La dimostrazione è passata attraverso l'impiego di tre approcci classici e il contributo di diversi istituti di ricerca di alto livello. Il primo e il secondo approccio richiedevano l'uso delle reti di tensori e sono noti rispettivamente come MPS (dall'inglese matrix product of states, ovvero "prodotto matriciale di stati") e PEPS (projected entagled-pair states, "stati proiettati di coppie legate"); il terzo ha invece impiegato una rete neurale.

Per effettuare i test, una griglia di 8x8 oggetti è stata "arrotolata" in modo tale da formare un cilindro, così da aumentare le connessioni; in questa configurazione, test di durata più breve non hanno restituito risultati significativamente differenti tra l'approccio quantistico e quello classico. La situazione è tuttavia cambiata una volta che è stato aumentato il tempo in cui è stato consentito al sistema di evolversi: il secondo e il terzo metodo sono stati scartati perché divergevano significativamente dai risultati attesi al crescere del sistema.

MPS è rimasto quindi come unico metodo percorribile; i ricercatori hanno quindi stimato l'hardware necessario per tenere il passo con il computer di D-Wave, Advantage 2, e hanno concluso chce "sui problemi più grandi, MPS richiederebbe milioni di anni sul supercomputer Frontier per ciascun input per poter offrire la stessa qualità [dell'hardware quantistico]. I requisiti di memoria andrebbero oltre i 700 PB dello spazio di archiviazione [di Frontier], e la richiesta di elettricità sarebbe superiore ai consumi globali annui." Advantage 2, invece, ha richiesto solo pochi minuti.

Verso l'agognato vantaggio quantistico?

D-Wave ammette che, come è già avvenuto nel caso della rivendicazione di superiorità da parte di Google, gli algoritmi classici potrebbero migliorare ulteriormente a seguito di questo studio, così da rimettere in discussione il predominio di Advantage 2. D-Wave è però scettica, in particolare perché il suo computer quantistico è ancora in fase di prototipo e i suoi qubit utilizzabili continuano ad aumentare, fatto che renderebbe possibile gestire modelli ancora più grandi che sarebbero quindi ancora più difficili per le controparti classiche da simulare.

Resta dunque da vedere se ancora una volta i computer classici riusciranno a riguadagnare la parità rispetto alle controparti quantistiche. Rispetto al passato, però, l'aspetto interessante dello studio di D-Wave sta nel fatto che si tratta di un problema reale su cui i fisici lavorano da tempo, anziché di un problema di nessuna utilità reale e creato appositamente per dare un vantaggio ai computer quantistici come quello usato da Google per dimostrare la propria supremazia. Visto il passo a cui procede il loro sviluppo, la sensazione è che sia ormai solo questione di tempo prima che i computer quantistici riescano effettivamente a dimostrare la propria superiorità anche nei problemi reali.