Willow è il nuovo computer quantistico di Google, con correzione degli errori e calcoli da 10 quadrilioni di anni in 5 minuti

È da diverso tempo che Google lavora alla realizzazione di un computer quantistico in grado di eseguire calcoli utili alla ricerca scientifica e non solo. Dopo il lancio di Sycamore nel 2019, l'azienda ha ora annunciato un nuovo processore quantistico: si tratta di Willow (salice, per continuare il tema degli alberi), che vede il numero di qubit passare da 53 a 103. Ma l'aspetto più importante e interessante del nuovo chip è il fatto che, secondo quanto afferma Google, Willow riduce significativamente gli errori ed è il primo a dimostrare come sia possibile ridurre gli errori aumentando il numero di qubit in uso.

Google Willow: più qubit, meno errori

Uno dei problemi più significativi che i ricercatori nel campo dei computer quantistici devono affrontare è quello degli errori: per far funzionare i computer quantistici è infatti necessario isolarli quanto più possibile dal mondo esterno, riducendo così le possibili interazioni che causano la perdita dello stato quantistico e, di conseguenza, anche errori nei calcoli. Gli errori aumentano al crescere del numero di qubit, proprio per via del fatto che usarne di più porta a una probabilità maggiore che ci sia un'interazione con l'esterno, e questo è uno dei motivi per cui è molto difficile produrre dispositivi con un numero elevato di qubit.

Google afferma che Willow va contro questa tendenza ed è in grado di ridurre il tasso d'errore all'aumentare dei qubit usati per un calcolo. In uno studio pubblicato su Nature, l'azienda afferma di aver scoperto una tecnica per correggere gli errori usando i cosiddetti qubit logici: più qubit fisici vengono combinati per lavorare insieme come fossero uno solo, così che un errore in un qubit fisico non porti alla perdita dell'informazione. Google spiega nell'annuncio di aver provato la correzione degli errori con una griglia di 3x3 qubit, seguita da 5x5 e 7x7, dimezzando il tasso di errori a ogni passaggio.

Google spiega quindi che la sua tecnica le ha permesso di rimanere "sotto la soglia", ovvero di essere riuscita a ridurre gli errori pur aumentando il numero di qubit. È un risultato per molti versi storico, proprio perché va contro la tendenza naturale di aumento degli errori. La tecnica di correzione sviluppata da Google fa anche sì che i qubit logici abbiano una vita utile più lunga rispetto a quella dei singoli qubit fisici (ovvero sono in grado di mantenere lo stato quantistico che consente di effettuare i calcoli più a lungo), fatto che dimostra così un effettivo miglioramento rispetto a un computer quantistico senza correzione degli errori.

Il chip è stato prodotto in una fabbrica costruita appositamente a Santa Barbara, in California. L'azienda afferma che, grazie all'attenzione estrema posta al processo di fabbricazione, il chip è in grado di mantenere lo stato quantistico dei qubit per circa 100 microsecondi (un decimillesimo di secondo), ovvero un miglioramento di circa 5 volte rispetto a Sycamore.

Calcoli di 10 quadrilioni di anni in meno di 5 minuti

Nonostante possa sembrare un numero proveniente dal conto in banca di Paperon de' Paperoni, un quadrilione è, nella scala lunga usata in italiano, equivalente a 10²⁴, ovvero 1.000.000.000.000.000.000.000.000. Google afferma che Willow è stato in grado di effettuare un calcolo che richiede 10 quadrilioni di anni in meno di cinque minuti.

Il calcolo è lo stesso per cui l'azienda aveva già affermato di aver raggiunto la supremazia quantistica nel 2019: si tratta del random circuit sampling, in cui vengono effettuati calcoli e misurazioni casuali sulle porte logiche quantistiche, così da raggiungere teoricamente stati quantistici quanto più possibile differenti ed equamente distribuiti tra tutti quelli possibili. L'intento è di dimostrare che il dispositivo quantistico non è in grado di effettuare solo poche operazioni, ma che è invece in grado di effettuare tutte quelle possibili con uguale velocità e tasso d'errore.

Google aveva già usato questo benchmark per dimostrare che Sycamore era in grado di eseguire calcoli inarrivabili per i computer classici; l'ultimo tentativo in questo senso risale a ottobre, quando l'azienda aveva nuovamente affermato che Sycamore fosse più veloce di qualunque supercomputer classico, con calcoli eseguiti in pochi minuti contro i 10.000 anni necessari agli elaboratori classici.

Si tratta, però, solo di un benchmark e, come è già noto dal mondo classico, l'utilità di questi strumenti è spesso limitata per capire cosa può davvero fare un chip. Ciò è ancor più vero per i computer quantistici, che tutt'oggi non hanno reali applicazioni pratiche. L'obiettivo di Google è proprio lo sviluppo di questi dispositivi perché possano arrivare ad averne, per consentire così a molte discipline di fare un passo in avanti significativo.

Il benchmark non ha dunque grande significato, in sé e per sé; discorso differente si applica invece alla correzione degli errori, che promette di avere un grande impatto sul settore e mostra uno spiraglio del futuro di questi elaboratori. La strada verso dei computer quantistici utili è ancora lunga e richiederà diversi anni per poter essere percorsa. Intanto sia Google sia IBM, che attualmente è forse il principale produttore di computer quantistici, si stanno concentrando sul produrre processori di dimensioni intermedie, ma di qualità più elevata: l'obiettivo è arrivare quanto prima possibile a qualche risultato pratico che dimostri come davvero questi dispositivi siano il futuro per molti settori fondamentali, dalla chimica alla fisica sperimentale, passando per la finanza e la farmaceutica.