IBM presenta Eagle, il primo processore quantistico con più di 100 qubit

L'IBM Quantum Summit, conferenza annuale del colosso americano sui computer quantistici, è stata l'occasione per togliere i veli dalla prossima generazione di processori quantistici dell'azienda. Chiamati Eagle, i nuovi chip battono il record di qubit disponibili superando la quota di 100 e arrivando a 127. IBM ha anche presentato novità per quanto riguarda il sistema che circonda il processore, col nuovo IBM System Two, e il software.

Eagle: il primo processore quantistico con più di 100 qubit è targato IBM

Si dice spesso che uno dei più grandi punti di forza dei qubit è la loro capacità di poter esprimere i valori 0, 1 e 0 e 1. Quest'abilità di poter contenere simultaneamente due valori opposti è particolarmente importante perché permette di svolgere calcoli molto complessi considerando tutte le possibili combinazioni allo stesso tempo. Se si considerano due qubit, infatti, essi possono rappresentare allo stesso momento quattro valori: 00, 01, 10 e 11. Se arriviamo a 127 qubit, il numero di possibili combinazioni sale a 2^127, ovvero un uno seguito da 38 zeri (per la precisione: 1.7014×10³⁸). Più o meno così: 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Un tale numero non è rappresentabile da nessun computer tradizionale attualmente esistente; di fatto, è previsto che un supercomputer in grado di farlo non esisterà affatto. Per dare un'idea del perché, basti pensare che si stima siano circa 1×10⁵⁰ atomi a comporre la Terra nel suo complesso. Per poter avere un computer classico in grado di rappresentare tutti quegli stati in contemporanea, nel caso irrealistico in cui a ogni atomo corrisponde un bit, sarebbe necessario usare una porzione significativa degli atomi della Terra (un atomo ogni mille miliardi: non pochi!).

Proprio per questo i computer quantistici vengono ritenuti uno strumento fondamentale per far avanzare la ricerca scientifica e molte altre applicazioni: perché mettono a disposizione una potenza di calcolo che semplicemente non è possibile ottenere con i computer classici.

Il nuovo processore quantistico che IBM ha annunciato, Eagle, è il primo a superare la barriera dei 100 qubit, arrivando al numero di 127 citato in precedenza. IBM nota che si tratta del primo processore quantistico a non essere simulabile con metodi classici, proprio per via delle ragioni spiegate poc'anzi.

Eagle è costruito sfruttando tecniche maturate nella produzione dei processori tradizionali: è infatti costituito da diversi strati che comunicano tra loro, così come avviene in molti prodotti basati sul silicio che usiamo ogni giorno, dai microprocessori alle fotocamere. Il motivo per cui IBM ha scelto questa tecnica di fabbricazione è che questa permette di aumentare il numero di qubit senza aumentare, però, gli errori in maniera significativa. Uno dei principali ostacoli allo sviluppo dei computer quantistici è infatti la necessità di tenere il più possibile isolati i qubit dal resto del mondo: qualunque interazione con il mondo esterno modifica infatti il loro stato, portandoli così a perdere le caratteristiche quantistiche che li rendono interessanti per svolgere i vari calcoli. Usando questo approccio multistrato alla fabbricazione dei chip, però, IBM è riuscita a ottenere un buon equilibrio tra maggiore potenza di calcolo e quantità di errori.

A proposito di quantità di errori, IBM ha altresì annunciato che il processore di generazione precedente, Falcon, è stato migliorato a tal punto da raggiungere un tasso di errori piuttosto basso: uno ogni 1000 gate, ovvero uno ogni 1000 operazioni logiche effettuate con i qubit al suo interno. Tale miglioramento, frutto di una migliore comprensione di come rendere più fedeli i processori quantistici, si rifletterà poi col tempo anche sui modelli successivi e sui dispositivi disponibili al pubblico.

Il passaggio a questo nuovo metodo di produzione a più strati è fondamentale, a detta di IBM, per poter ridurre le interferenze e arrivare dunque alla pietra miliare dei 1000 qubit: i piani dell'azienda pongono tale obiettivo al 2023. L'anno prossimo, invece, dovremmo vedere l'arrivo di un processore con più di 400 qubit.

Sempre per una questione di scalabilità, Eagle fa uso del readout multiplexing. Introdotta con la seconda versione di Hummingbird, il processore da 65 qubit annunciato lo scorso anno, questa tecnologia fa sì che l'elettronica per il controllo dei qubit sia ridotta drasticamente. I processori precedenti avevano infatti un intero set di dispositivi per ciascun qubit e ciò non è sostenibile né da un punto di vista delle dimensioni, né dal punto di vista termico al crescere del numero di qubit.

Eagle dispone i suoi qubit in quello che IBM chiama "esagono pesante": i qubit sono posizionati in modo tale da connettersi a due o tre vicini come se fossero sui lati e sui vertici di una griglia di esagoni. Questa disposizione fa sì, come gli altri accorgimenti, che si limitino al minimo le interazioni e, dunque, i possibili errori.

IBM parla di una "esplosione di varietà come quella del Cambriano" facendo riferimento alle possibilità per la scienza che i nuovi computer quantistici apriranno in futuro. Ci sentiamo di allargare questa definizione alla varietà e alla velocità con cui si sta sviluppando proprio il settore del calcolo quantistico, che in tempo brevissimo è diventato tanto attivo da vedere nuove scoperte e risultati rivoluzionari su base pressoché settimanale. Di certo IBM sta scommettendo molto su questo futuro fatto di processori quantistici e frigoriferi criogenici e, almeno per il momento, sta facendo da apripista su moltissimi fronti.

IBM System Two: la piattaforma criogenica per i computer quantistici di domani

Uno dei problemi più grandi per i computer quantistici, come accennato, è quello del mantenimento delle temperature. Le strutture piene di tubi e cavi che siamo soliti associare a questi dispositivi (come nella foto qui sopra) servono proprio a tale scopo, dato che consistono dei cavi per il controllo dei processori e dell'insieme dei tubi e dell'elettronica di controllo che permettono di portare i qubit a temperature prossime allo zero assoluto (0 K, o -273,15 °C).

Tutti i processori che IBM ha presentato finora si appoggiavano alla stessa piattaforma, IBM System One, ma i suoi limiti sono evidenti già oggi con Eagle. Con Osprey, il processore da 433 qubit che verrà lanciato l'anno prossimo, e con Condor, che verrà lanciato nel 2023 e avrà 1121 qubit, System One non potrà più rispondere alle esigenze di raffreddamento e di controllo dei nuovi processori. Per questo motivo IBM ha presentato System Two, una nuova piattaforma modulare che permetterà di ospitare computer quantistici con processori più potenti e, potenzialmente, anche dispositivi con più processori collegati tra di loro.

Il frigorifero criogenico è stato sviluppato assieme alla finlandese Bluefors: il nuovo sistema è alto circa tre metri e largo circa 1,80 m, oltre a richiedere l'installazione in luoghi particolarmente controllati. Secondo IBM, System Two apre la strada alla creazione di veri e propri data center quantistici in cui sarà possibile ospitare numerosi computer quantistici.

Tale traguardo appare ora lontano e certamente la ricerca dovrà fare altri passi avanti prima di arrivarci. IBM ha però ribadito più e più volte durante la conferenza come le promesse che ha fatto finora siano state mantenute e che, per questo motivo, c'è motivo di avere fiducia nel suo operato e nel fatto che sarà in grado di giungere ai traguardi che ha delineato nella sua tabella di marcia.

Usare i computer quantistici oggi: la ricetta Quantum Serverless di IBM

Si danno ormai per assodati due fatti nel mondo dell'informatica quantistica: il primo è che i computer quantistici di oggi non sono ancora in grado di affrontare i problemi di grande dimensione la cui risoluzione è importante per l'avanzamento di diverse discipline; il secondo è che non tutti i problemi traggono un vantaggio concreto dall'essere risolti da un computer quantistico ed è quindi meglio impiegare un computer tradizionale.

A partire da queste due idee si sviluppa il Quantum Serverless di IBM, che fa sì che gli sviluppatori possano usare un mix di computer classici e quantistici in maniera semplice e con la stessa flessibilità e scalabilità che caratterizzano il paradigma serverless nel cloud "tradizionale".

L'idea di IBM è quella di usare un insieme di tecniche per sfruttare al meglio gli strumenti a disposizione: l'azienda parla di "intreccio di circuiti" (in inglese "circuit knitting", traducibile anche come "lavoro a maglia con i circuiti"), ovvero l'uso dei computer tradizionali per trovare approcci diversi al problema che permettono a loro volta di ridurre la quantità di calcoli che il computer quantistico deve eseguire. In questo modo si sfruttano le capacità dei computer tradizionali al meglio, ma si fa anche sì che i computer quantistici di piccole dimensioni ora disponibili possano essere effettivamente utili. I computer classici vengono anche usati per la correzione degli errori nei calcoli eseguiti dalle controparti quantistiche.

Oltre a ciò, IBM punta a uno sviluppo "privo di attrito" (frictionless) con un modello che avvicina molto quello serverless dei vari fornitori di servizi cloud: dare la possibilità agli sviluppatori di concentrarsi esclusivamente sul codice, senza che debbano considerare la gestione dell'infrastruttura o della gestione del ciclo vitale dell'esecuzione o della scalabilità, assieme a un modello di pagamento in base all'utilizzo che esclude dunque i tempi di inattività dalla fatturazione.

Lo sviluppo dei computer quantistici passerà inevitabilmente anche per l'ottimizzazione del software. IBM ha recentemente lanciato Qiskit Runtime, che consente ai container ospitati su hardware classico di accedere con una bassa latenza ai dispositivi quantistici, aumentando così le prestazioni di diversi scenari d'uso fino a 120 volte rispetto al software precedente. Inizialmente Qiskit Runtime era disponibile solo su un computer quantistico per alcuni partner selezionati, ma l'azienda ne ha ora espanso la disponibilità a tutti i dispositivi che mette a disposizione.

Forse non arriveremo ad avere "un computer quantistico in ogni casa", modificando le parole di Bill Gates, ma indubbiamente IBM crede che il futuro sia proprio in questi dispositivi. Ed è difficile non condividere l'entusiasmo per questo progresso significativo della scienza e della tecnologia.