I computer quantistici di D-Wave sono migliori dei computer classici

Il momento in cui vedremo un netto vantaggio dei computer quantistici generalisti rispetto ai computer classici è ancora lontano, relativamente parlando. Ma qual è invece la situazione per quanto riguarda i ricottori quantistici? D-Wave, i cui computer quantistici sono limitati alla risoluzione di problemi di ottimizzazione tramite la cosiddetta "ricottura quantistica", ha appena pubblicato uno studio in cui mostra come il suo computer Advantage da 5.000 qubit sia in grado di ottenere un vantaggio sui computer classici.

Alcuni computer quantistici sono effettivamente meglio di quelli classici

Per quanto le speranze di risolvere molti problemi oggi intrattabili siano riposte nei computer quantistici, c'è ancora molto lavoro da fare prima che si possano avere prove definitive della superiorità di tali dispositivi nelle applicazioni pratiche. Tutti gli studi condotti finora, però, si concentrano sui computer quantistici che sfruttano il cosiddetto "modello a porte", in cui i qubit vengono programmati per creare delle porte logiche da usare nei calcoli.

I computer quantistici che non sfruttano questo modello, come quelli di D-Wave, non hanno però ricevuto lo stesso tipo di attenzione e non era finora noto quanto fossero effettivamente migliori rispetto ai modelli classici nei problemi di ottimizzazione, che sono poi di fatto gli unici che possono risolvere.

Per dimostrare il vantaggio dei suoi computer a ricottura quantistica, D-Wave ha scelto di tentare la simulazione dei cosiddetti "vetri di spin" (spin glasses) tridimensionali. I vetri di spin sono leghe metalliche in cui la maggior parte degli atomi non ha proprietà magnetiche, ma sono presenti anche alcuni atomi magnetici sparsi nel reticolo atomico della lega. La distanza tra questi atomi fa sì che i loro campi magnetici non siano allineati, cosicché in alcuni casi vanno a sommarsi e in altri ad annullarsi.

Il nome "vetri di spin" deriva dal fatto che gli spin degli atomi magnetici sono distribuiti casualmente e senza un ordine particolare a livello globale, così come avviene nel vetro dove non è presente una struttura cristallina ordinata, ma c'è invece una struttura amorfa. Così come accade con il vetro, anche i vetri di spin non cambiano facilmente la propria struttura (magnetica, in questo caso) ed è difficile riorientare gli spin.

Dal momento che la configurazione degli spin, sia a livello locale sia a livello globale, appare puramente casuale, come è possibile prevedere in quale configurazione il sistema finirà? Il problema è difficile, e non nel senso comune del termine: appartiene alla classe dei problemi NP, ovvero problemi la cui risoluzione richiede un tempo non polinomiale. In altri termini, i problemi NP di grandi dimensioni sono intrattabili, perché il tempo necessario per risolverli cresce almeno esponenzialmente rispetto al numero di variabili.

La simulazione dei vetri di spin non riguarda solo un problema di fisica della materia condensata, ma una vasta classe di problemi di ottimizzazione che prende in considerazione situazioni in cui sono presenti piccoli elementi di disordine all'interno di gruppi ordinati. Ad esempio, ci sono applicazioni nelle reti di comunicazione, nella simulazione delle reti neurali, nello spostamento degli stormi di uccelli e così via.

Come rivelato dallo studio di D-Wave, la ricottura quantistica con i suoi computer è nettamente migliore rispetto al risultato ottenuto con i computer classici. Ciò dimostra che il modello a ricottura quantistica ha un suo posto e che il suo sviluppo in futuro avrà un senso per affrontare i problemi di ottimizzazione.

Nella conclusione dell'articolo pubblicato per annunciare i risultati, D-Wave afferma che "sebbene ciascuna piattaforma abbia i suoi punti di forza, vediamo la ricottura quantistica come la strada da seguire per l'ottimizzazione. La nostra nuova ricerca ci permette di vedere meglio che mai il valore della coerenza nella ricottura quantistica, e si tratta di un'ottima notizia, perché lo sviluppo dei computer a porte e a ricottura fianco a fianco ci porterà a ottenere tempo di coerenza più lunghi e migliori parametri dei qubit, consentendo al nostro vantaggio sui computer classici di crescere."