IBM raggiunge il vantaggio quantistico: i computer quantistici sono migliori di quelli classici per certi calcoli

Si pensava che il cosiddetto "vantaggio quantistico", ovvero la dimostrazione che i computer quantistici siano in grado di effettuare calcoli con maggiore velocità o efficienza rispetto a quelli classici, sarebbe arrivato fra diversi anni. Ben tre nuove ricerche dimostrano invece che è già arrivato. IBM ha collaborato con Algorithmiq, Qedma e l'Università di Chicago su tre diversi studi che hanno dimostrato come sia già possibile ottenere risultati che vanno oltre quelli raggiungibili con i computer classici.

IBM raggiunge il vantaggio quantistico

Fino a poco tempo fa si credeva che il vantaggio quantistico sarebbe arrivato fra diversi anni. Tale vantaggio è definito come la capacità dei computer quantistici di effettuare calcoli intrattabili per i computer classici, o di effettuarli con maggiore efficienza, o di ottenere un'accuratezza superiore; tali risultati devono poter essere validati. Le tre ricerche condotte con i computer IBM Quantum Heron sono arrivate al vantaggio quantistico in tutti e tre i modi.

I problemi affrontati dalle tre ricerche sono differenti, ma tutti si sono scontrati con un elemento che diventerà centrale in futuro: la verifica dei risultati prodotti dai computer quantistici e la conferma della loro attendibilità e affidabilità anche in assenza di un risultato proveniente da sistemi classici. Questa sarà la grande sfida del campo quantistico d'ora in avanti: sviluppare dei metodi per stabilire quali risultati siano realmente affidabili quando non è possibile ottenere conferme dai metodi tradizionali considerati certi.

Tutti e tre gli studi affrontano questa difficoltà, ciascuno in maniera differente. In mancanza di uno standard condiviso dalla comunità scientifica, vedremo nei prossimi anni la nascita di diversi approcci prima del consolidamento su metodi definiti e condivisi.

Algorithmiq e la simulazione dei cristalli imperfetti

Il primo studio, condotto con Algorithmiq, si è occupato di simulare la materia eterogenea. "La fisica che si studia sui libri è fatta di cristalli perfetti, di molecole perfette, ma la realtà non è perfetta e proprio questo è ciò che rende la sua simulazione complessa", spiega Sabrina Maniscalco, fondatrice e CEO di Algorithmiq. "Il calcolo quantistico comincia ad assomigliare all'IA dopo AlphaGo: ciò che sembrava impossibile diventa realtà."

Il problema e i risultati sono stati pubblicati otto mesi fa e, in questo arco di tempo, nessun metodo classico è stato in grado di riprodurre i risultati in maniera affidabile e sull'intero dominio affrontato. Non solo: Maniscalco ha spiegato come, in realtà, i metodi classici divergessero sostanzialmentee restituissero un quadro senza alcuna coerenza.

L'esperimento ha visto la configurazione del processore IBM Quantum Heron in modo tale da riprodurre lo stato quantistico di un materiale cristallino caratterizzato da imperfezioni, che venivano controllate a piacimento dai ricercatori così da simulare differenti configurazioni. Un aspetto particolarmente interessante della spiegazione data da Maniscalco è che la riproduzione dello stato quantistico ha significato che, all'atto pratico, il processore si è comportato esattamente come il materiale desiderato e dunque, in un certo senso, era tale materiale. I risultati ottenuti, dunque, sono equivalenti a quelli teoricamente ottenibili sperimentalmente.

Algorithmiq ha collaborato con alcuni tra i principali esperti a livello mondiale di simulazioni classiche per riprodurre i propri risultati, senza però riuscirci. L'azienda ha dunque sviluppato un quadro di riferimento per la verifica dei risultati quando questa non è possibile con metodi classici: andando a inserire del rumore, ovvero sorgenti di errori, nei calcoli e calibrando le porte logiche è stato possibile verificare come i risultati rimanessero sempre stabili e fossero, dunque, affidabili. L'azienda ha anche reso disponibile "monoprop", il metodo classico di simulazione degli stati fondamentali molecolari adottato per confermare il risultato di raggiungimento di vantaggio quantistico.

Lo studio di Algorithmiq ha dunque dimostrato il vantaggio quantistico dal punto di vista dell'intrattabilità con i sistemi classici, che è poi la definizione cui si pensa principalmente quando si parla di vantaggio quantistico.

Qedma dimostra la maggiore precisione ed efficienza dei computer quantistici

Qedma, startup israeliana che si occupa di simulazione della fisica dei materiali, ha simulato come le proprietà magnetiche di un materiale evolvano quando vengono sottoposte a impulsi periodici esterni. In termini tecnici, l'azienda ha studiato le dinamiche di oscillazione di un modello di Floquet Ising bidimensionale. La domanda a cui ha cercato di rispondere è se tali oscillazioni persistano al crescere della dimensione del sistema: le simulazioni classiche fanno intuire di sì, ma riescono a effettuare calcoli solo per dimensioni piccole del problema e offrono dunque una visione molto parziale. L'approccio quantistico voleva dunque valutare se quanto suggerito dai modelli classici fosse effettivamente vero, o se s'incappasse nel problema del tacchino di Russell.

Il risultato ottenuto da Qedma dimostra il vantaggio quantistico in due modi: da un lato offrendo una migliore precisione rispetto ai dispositivi classici, dall'altro offrendo un'efficienza superiore. Qedma ha infatti collaborato con RIKEN, istituto scientifico giapponese, per eseguire la simulazione su Fugaku, uno dei supercomputer più potenti al mondo. La simulazione è stata eseguita anche su un sistema dotato di GPU NVIDIA H100 e processori AMD.

I risultati prodotti dai metodi classici si sono rivelati fortemente discordanti. Qedma ha usato una propria tecnica di correzione degli errori, chiamata QESEM, per migliorare l'affidabilità dei calcoli sul processore IBM Quantum Heron; in questo modo è riuscita a effettuare una simulazione molto accurata e su una dimensione del problema tale da rappresentare materiali reali.

È interessante notare come i risultati di Fugaku siano, in realtà, sostanzialmente in accordo con quelli ottenuti da Qedma sul computer quantistico, ma come non diano un livello di dettaglio sufficiente per capire se ci sia un'oscillazione. In altri termini, la simulazione va nella giusta direzione, ma la precisione non è sufficiente a far capire se l'oscillazione continui o meno. I risultati quantistici, invece, offrono un livello di precisione tale da confermare che le oscillazioni continuano. In questo senso, Qedma ha raggiunto il vantaggio quantistico dimostrando come i metodi quantistici offrono una precisione superiore rispetto a quelli classici.

Non solo: anche l'efficienza è stata dimostrata come ampiamente superiore, visto che i calcoli per effettuare la simulazione quantistica sono stati eseguiti per un totale di 720.896 ore di CPU su Fugaku, mentre nella simulazione quantistica hanno richiesto solo 7 ore sul processore IBM Quantum Heron e 250 ore su CPU classiche.

Per dimostrare l'affidabilità dei risultati, Qedma ha eseguito la simulazione anche su un computer quantistico prodotto da Quantinuum e basato su fenomeni fisici completamente differenti (si tratta di un dispositivo che usa le trappole ioniche, anziché i circuiti superconduttori). I risultati ottenuti su tale dispositivo sono in accordo con quelli ottenuti sul processore di IBM e dimostrano dunque la bontà dell'approccio.

IBM e Università di Chicago: i benchmark quantistici affidabili

Uno dei principali benchmark per stabilire se un computer abbia raggiunto il vantaggio quantistico si chiama Random Circuit Sampling (RCS in breve) e prevede che vengano eseguiti circuiti, ovvero sequenze di operazioni, casuali. In questo modo non si possano creare ottimizzazioni ad hoc, né ci possono essere operazioni in cui il dispositivo eccelle e altre in cui, invece, risulta inefficiente.

Il problema è che diventa rapidamente difficile confermare questi risultati al crescere della dimensione del calcolo. I ricercatori di IBM e dell'Università di Chicago hanno dunque sviluppato un'alternativa che mantiene lo stesso livello di complessità del RCS con, però, la possibilità di rilevare gli errori durante l'esecuzione del calcolo.

I ricercatori hanno così creato 70 qubit logici con i quali hanno completato 2.415 operazioni logiche a due qubit e 468 porte logiche "T", che sono due metriche utilizzate per misurare la complessità di un circuito quantistico. I qubit logici hanno ottenuto un tasso di errore di 10 volte inferiore rispetto ai qubit fisici, così da ottenere una fedeltà estremamente elevata nonostante il numero elevato di operazioni.

Il vantaggio quantistico dimostrato sta nel fatto che gli approcci classici avrebbero richiesto tempistiche di verifica proibitive, mentre sono stati necessari solo 15 minuti di calcoli sul computer quantistico di IBM. Lo studio è importante anche perché ha dimostrato come sia possibile costruire qubit logici affidabili con un numero straordinariamente basso di qubit fisici, il che apre le porte a calcoli più complessi sull'hardware che già abbiamo a disposizione.

Le tre ricerche sono un passo in avanti decisivo nel mondo del calcolo quantistico e confermano come il settore stia procedendo a rotta di collo nello sviluppo e nel raggiungimento dei risultati. Proprio questa velocità, che era del tutto imprevista, sta portando i governi e le aziende a rivedere i propri approcci alla crittografia post-quantistica: il momento in cui i computer quantistici saranno in grado di affrontare problemi d'interesse industriale e di rompere i cifrari classici sembra avvicinarsi a passi da gigante.