IBM crea l'entanglement forging per risolvere problemi più grandi con i computer quantistici

Alcuni ricercatori di IBM hanno pubblicato uno studio in cui riportano la scoperta di una tecnica che chiamano entanglement forging, o "forgiatura della correlazione", che permette di spezzare un problema in due parti per metterne poi insieme le soluzioni e arrivare alla soluzione del problema iniziale. Il vantaggio di questo approccio sta nel fatto che è possibile ottenere risultati migliori ai problemi attuali, oppure affrontare problemi di dimensioni maggiori.

La forgiatura della correlazione: come IBM spezza i problemi (e poi li ricompone)

Una nota tecnica di programmazione chiamata "divide et impera" prevede che un problema venga diviso in parti più piccole, che vengono elaborate indipendentemente e i cui risultati vengono poi riassemblati per ottenere il risultato al problema iniziale di dimensioni maggiori. Questo sembra essere, almeno nello spirito, l'approccio seguito dai ricercatori IBM nel creare la "forgiatura della correlazione".

Come spiegato in un articolo sul blog dell'azienda, tale processo prevede una divisione in più fasi e in due parti di un problema, come ad esempio il calcolo dello stato fondamentale di una particella d'acqua. La prima parte è quella dell'analisi del problema con dei computer tradizionali, alla ricerca di un modo per dividerlo in due parti. Una volta che tale modo viene trovato, le soluzioni alle due metà del problema vengono calcolate dal computer quantistico e vengono quindi ricongiunte sui computer tradizionali.

Questo metodo, all'apparenza molto semplice nella sua essenza, permette di ottenere risultati simili a, se non migliori di, quelli ottenuti elaborando il problema di grandi dimensioni interamente sui computer quantistici. I ricercatori di IBM hanno simulato lo stato fondamentale di una molecola d'acqua, con dieci spin-orbitali, su appena cinque qubit dei 27 disponibili su un processore Falcon. Normalmente ciò richiederebbe almeno 10 qubit, dunque il vantaggio di questa tecnica è chiaro: è teoricamente possibile trovare soluzioni a problemi più grandi di quelli altrimenti trattabili con l'hardware attualmente disponibile.

Va notato che non tutti i problemi sono risolvibili in questo modo: i ricercatori di IBM parlano di "weakly entangled halves", ovvero "metà debolmente correlate", come prerequisito per poter usare la forgiatura della correlazione. In altri termini, è necessario che il problema in sé si presti a essere "spezzato" in due, come è il caso della molecola d'acqua dove è possibile separare gli orbitali spin-up dagli orbitali spin-down.

Divide et impera in ambito quantistico: una soluzione al problema dei computer quantistici odierni

La difficoltà, e la novità, della ricerca di IBM è stata proprio quella di dimostrare che l'approccio divide et impera potesse essere applicato anche a problemi quantistici. Ci sono comunque dei limiti: i computer classici che prendono parte ai calcoli devono gestire una lista di valori che rappresentano la correlazioni tra le due metà del problema e tali liste possono essere di dimensioni problematiche. C'è anche un problema di overhead, ovvero di calcoli che è necessario fare per far funzionare il sistema senza alcun contributo alla soluzione, che può essere significativo; tale overhead cresce tanto più le due metà del problema sono collegate tra loro. Tuttavia, i calcoli poco utili possono essere ridotti significativamente quando le metà del problema sono debolmente correlate.

La speranza dei ricercatori di IBM, dunque, è che questa tecnica possa portare a ottenere risultati migliori e su problemi di dimensioni maggiori anche sui computer quantistici attuali, limitati fortemente dal rumore (ovvero dalla presenza di errori) e dal numero di qubit ancora basso. Blake Johnson, a guida della piattaforma IBM Quantum, afferma che "la forgiatura dell'entanglement permette essenzialmente di tagliare un circuito [ovvero una serie di operazioni da eseguire su un computer quantistico, NdR] più grande in circuiti più piccoli che possiamo eseguire su hardware di dimensioni minori. I circuiti più piccoli non sono semplicemente più facili da eseguire, sono anche in grado di tollerare molto più rumore semplicemente per il fatto che sono più piccoli. In generale, se si vuole espandere la forgiatura della correlazione a un insieme più ampio di problemi, una via potenziale potrebbe essere quella di inserire un passo nel processo in cui si cerca il migliore punto in cui effettuare il taglio, dove il riassemblaggio è meno costoso."

In assoluto non si tratta della prima volta che un approccio del genere viene tentato con successo: c'è già una famiglia di tecniche chiamate "circuit knitting" in inglese, o "intreccio di circuiti" in italiano, che usa un approccio similare; la differenza sta nel fatto che la forgiatura della correlazione è altamente scalabile. L'evoluzione delle tecniche per affrontare i problemi è parte integrante dello sviluppo dei computer quantistici ed è fondamentale per raggiungere risultati significativi in futuro con questi nuovi dispositivi.