IBM presenta i nuovi processori quantistici: arrivano Nighthawk e Loon

Continuano gli sviluppi dei computer quantistici di IBM. L'azienda ha infatti annunciato la nuova generazione di processori quantistici: si tratta di Nighthawk (succiacapre) e Loon (strolaga), che fungeranno da base per lo sviluppo dei prossimi anni grazie a un progetto modulare nel primo caso e pensato per la correzione degli errori nel secondo. Non mancano poi novità anche sul fronte del software, con nuove API per applicazioni in C all'interno di Qiskit e la possibilità di scrivere ed eseguire circuiti dinamici scalabili.

I nuovi processori quantistici: arrivano Nighthawk e Loon

Il nuovo processore IBM Quantum Nighthawk ha 120 qubit. Chi ha dimestichezza con il mondo classico potrebbe essere sorpreso dal fatto che un nuovo processore abbia meno qubit del precedente (Heron ne aveva 133): apparentemente, è come se AMD o Intel avessero deciso di lanciare una CPU a due core come modello successivo di una a quattro. Ci sono, però, differenze sostanziali tra il mondo classico e quello quantistico. Nighthawk è infatti pensato per offrire prestazioni sostanzialmente superiori a quelle di Heron grazie a un'architettura completamente nuova, che usa una disposizione a quadrato dei qubit (anziché una a esagono pesato).

La nuova architettura fa sì che Nighthawk possa eseguire 5.000 porte logiche con una quantità di errori molto più bassa rispetto a Heron. Non solo: il nuovo processore è progettato per raggiungere le 15.000 porte logiche nel giro di appena due anni. Questo aumento prestazionale è dovuto al fatto che il nuovo progetto consente a IBM di aumentare il numero di accoppiatori da 176 a 218; ciò significa che ci sono 218 connessioni tra i qubit ed è, dunque, possibile eseguire operazioni più velocemente e senza la necessità di scambiare i dati tra qubit fisicamente lontani fra di loro.

Nighthawk è pensato per essere modulare e l'anno prossimo dovrebbe arrivarne una versione in grado di mettere a disposizione fino a 360 qubit, grazie alla connessione di tre diversi moduli; nel 2027 si dovrebbe arrivare a 1.080 qubit, grazie all'uso di 9 moduli.

Non mancano però miglioramenti anche a Heron, che ha continuato a evolversi ed è arrivato alla terza revisione. Il nuovo Heron abbassa ulteriormente la quantità di errori e raggiunge il risultato ragguardevole di meno di un errore ogni 1.000 operazionisu 57 dei suoi 176 accoppiatori.

Così come gli anni scorsi IBM aveva annunciato il lancio di processori più sperimentali come Flamingo e Crossbill, che servivano a dimostrare la fattibilità di specifici elementi costruttivi come gli accoppiatori, quest'anno ha presentato Loon, che mette assieme diversi elementi sperimentati negli anni scorsi: connessioni fra 6 qubit, molteplici strati per le connessioni, accoppiatori fisicamente più lunghi, dispositivi che riportano il chip allo stato fondamentale (ovvero lo stato di più bassa energia). Ciò fa sì che Loon avrà tutti gli elementi per implementare con successo i codici di correzione qLDPC che dovrebbero consentire di arrivare a una correzione degli errori più efficace di quella che finora si è riusciti a implementare sugli altri processori. Loon fungerà probabilmente da base per Starling e, successivamente, Blue Jay.

Uno dei problemi più significativi quando si parla di chip quantistici, però, è quello della resa produttiva: spesso è significativamente più bassa rispetto a quella delle controparti classiche per via della specificità di ciascun chip, con imperfezioni minime che fanno sì che non sia possibile ottenere le caratteristiche quantistiche desiderate. Per cercare di superare questo problema, IBM ha annunciato che produrrà tutti i suoi processori quantistici presso la fabbrica Albany NanoTech Complex, dove verranno sfornati wafer da 300 mm. In precedenza, l'azienda usava wafer a 200 mm prodotti presso la sua struttura di ricerca a Yorktown Heights, nello Stato di New York; anche se l'uso di una struttura di ricerca dà molta flessibilità, ciò significa però che i tempi di produzione erano lunghi e non c'erano a disposizione le ultime innovazioni. Il passaggio alla struttura di Albany fa invece sì che sia possibile accedere a un impianto produttivo di ultima generazione e in grado di operare 24 ore su 24.

Novità anche per il software, verso il vantaggio quantistico

Le novità annunciate non si fermano però all'hardware e includono anche il software. La prima novità sta nell'inclusione di API per C (e C++) in Qiskit, che consentono agli sviluppatori di usare tali linguaggi di programmazione che, per via ragioni tanto storiche quanto prestazionali, sono molto frequentemente usati nel campo del supercalcolo.

Una novità importante è quella dei circuiti dinamici scalabili. I circuiti dinamici incorporano operazioni classiche nel mezzo dell'esecuzione di un circuito per cambiare poi dinamicamente le operazioni successive. Grazie alla possibilità d'inserire annotazioni nei circuiti, il sistema è in grado di disaccoppiare dinamicamente i qubit che sono inattivi durante il processo di misura per usarli per effettuare i calcoli successivi. In questo modo, IBM è riuscita a ottenere risultati più accurati del 25% e ha ridotto del 58% le operazioni logiche a due qubit in calcoli a più di 100 qubit.

IBM ha ribadito ancora una volta come il futuro del calcolo quantistico risieda nella collaborazione tra computer quantistici e mondo classico, in particolare supercomputer. A riprova di ciò, l'azienda aveva annunciato a fine ottobre che aveva usato FPGA di AMD per implementare la correzione degli errori.

Il percorso verso il cosiddetto "vantaggio quantistico", ovvero la dimostrazione che i computer quantistici possano avere prestazioni superiori a qualunque alternativa classica, continua e IBM ha presentato esperimenti in tre categorie candidate a tale dimostrazione: la stima degli osservabili, gli algoritmi variazionali e i problemi con una verifica classica efficiente. IBM afferma però, in contrasto con alcuni concorrenti, che il settore ancora non ha raggiunto il vantaggio quantistico, in particolare per via dell'assenza di una validazione rigorosa dei calcoli quantistici e una separazione netta degli elaboratori quantistici rispetto a quelli classici in termini di efficienza, efficacia dal punto di vista dei costi, accuratezza, oppure una combinazione di questi tre elementi.

Come spesso ripetiamo c'è, insomma, ancora molto da fare e da dire prima che i computer quantistici diventino uno strumento in grado di produrre risultati pratici. Le novità presentate oggi, però, ancora una volta sembrano avvicinare un di più tale traguardo.