Prestazioni da 10 a 100 volte migliori per la correzione degli errori sui computer quantistici: l'annuncio di QuEra

È noto ormai da tempo che il progresso dei computer quantistici verso l'imipego di tali dispositivi per applicazioni reali e su grande scala sarà dettato tanto dall'hardware, da cui dipende il numero di qubit fisici a disposizione e il tasso di errore, quanto dal software, che interviene per ridurre gli errori. QuEra ha annunciato un passo in avanti proprio in questo secondo ambito con una tecnica chiamata tolleranza algoritmica agli errori (algorithmic fault tolerance, o AFT) che riduce l'overhead della correzione degli errori da 10 a 100 volte rispetto agli approcci alternativi. Si tratta di un risultato estremamente significativo, in particolare per via degli effetti che ha sulla tecnologia ad atomi neutri usata dalla società.

Una svolta nella correzione degli errori quantistica da QuEra

I problemi principali che attualmente devono affrontare i computer quantistici (e chi li sviluppa) sono due: da un lato la scalabilità, ovvero la possibilità di costruire dispositivi con un maggior numero di qubit e, di conseguenza, in grado di effettuare calcoli più complessi e su più larga scala; dall'altro la presenza di errori, dovuta alle interazioni tra i sistemi quantistici con il mondo esterno che tendono a causare disturbi e interferenze. I due problemi sono strettamente correlati, perché aumentare il numero di qubit implica spesso un aumento degli errori.

Per questo c'è da tempo una corsa verso l'invenzione di algoritmi per la correzione degli errori: più qubit fisici vengono usati contemporaneamente per lo stesso calcolo e i risultati vengono confrontati; in questo modo, se un qubit presenta un errore, questo non fa sì che si debba ricominciare da zero. Per fare un parallelo, si può pensare a dei monaci medioevali che copiano un manoscritto: se c'è un solo monaco che trascrive una sola copia e commette un errore, allora l'unica copia che avremo avrà un errore; se invece dieci monaci trascrivono dieci copie, ci potremo rendere conto che uno di essi ha sbagliato confrontando le diverse copie.

L'annuncio di QuEra è, per continuare con la metafora, che non serve tutto il monastero per rendersi conto che c'è un errore. La tecnica "tolleranza algoritmica trasversale agli errori" che ha annunciato fa sì che sia possibile eseguire un solo controllo su ciascuno strato logico (extraction round) anziché molteplici (il numero esatto è definito da una variabile nota come distanza del codice, o d, che è il numero minimo di errori nei qubit fisici che potrebbero causare un errore logico nel calcolo). Combinando operazioni trasversali, ovvero l'esecuzione in parallelo di operazioni logiche su più insiemi di qubit così che gli errori non si propaghino, e la decodifica correlata, ovvero la valutazione dei pattern di tutte le misurazioni rilevanti, QuEra è riuscita a ridurre significativamente il tasso di errore mantenendo un elevato livello di prestazioni.

Secondo quanto rilevato dall'azienda, il fattore d è stato ridotto di 30 volte o più nelle simulazioni; sui calcolatori ad atomi neutri di QuEra, l'approccio consente di ridurre il tempo di esecuzione tra le 10 e le 100 volte quando impiegato con algoritmi su larga scala.

Il risultato è particolarmente significativo in senso generale, ma lo è in particolare per gli elaboratori ad atomi neutri (o atomi di Rydberg) perché spesso questi vengono ritenuti più lenti rispetto alle alternative, come i chip superconduttori a giunzioni di Josephson. Secondo QuEra, la possibilità di variare la connettività tra i qubit, grazie al fatto che è possibile spostare fisicamente gli atomi, diventa in realtà un vantaggio perché consente di implementare più efficacemente la correzione degli errori, riducendo il numero di misurazioni da effettuare e quindi velocizzando l'esecuzione degli algoritmi.

"Questi risultati mostrano che la riconfigurabilità flessibile delle piattaforme ad atomi neutri può ridurre significativamente il tempo di esecuzione degli algoritmi logici con correzione degli errori", afferma Harry Zhou, QEC Architecture Lead di QuEra Computing. "Combinata con un controllo parallelo ed efficiente alla base delle architetture trasversali, questa capacità apre una via concreta al calcolo quantistico su larga scala basato su atomi neutri."

QuEra ha pubblicato uno studio, che è passato per il processo di peer review, in cui dimostra che l'impiego di questo nuovo approccio consente di aumentare di cinquanta volte le prestazioni per l'esecuzione dell'algoritmo di Shor su una chiave RSA da 2048 bit: per rompere tale chiave sarebbero necessari, secondo le simulazioni, 19 milioni di qubit per 5,6 giorni. Sebbene un tale sistema sia ancora lontano, si tratta di numeri molto più vicini di quanto si possa immaginare: e ciò punta ancora una volta i riflettori sulla necessità di adeguare già da ora le infrastrutture digitali alla minaccia futura dei computer quantistici. Anche perché non è detto che fra qualche mese QuEra, o un'altra azienda, non annunci un miglioramento di 1.000 volte nelle prestazioni, avvicinando così ancora di più il momento in cui gli elaboratori quantistici avranno un impatto reale.