La scadenza dei 49 qubit di Google per la supremazia quantistica: cosa dicono i documenti

John Martinis guida il gruppo di calcolo quantistico di Google. Si era dato pochi mesi per raggiungere un traguardo nella storia dell'informatica. Entro la fine del 2017, diceva, il suo team avrebbe costruito un dispositivo capace di ottenere la "supremazia quantistica": un calcolo fuori portata per qualsiasi computer convenzionale.

"Pensiamo di essere pronti a fare questo esperimento. È qualcosa che possiamo fare adesso", ha detto Martinis a MIT Technology Review, in un articolo pubblicato il 21 aprile 2017.

Sei qubit, 49 qubit e lo spazio tra loro

I numeri qui contano. A quel punto il chip più recente di Google aveva sei qubit, disposti in una configurazione due per tre, secondo MIT Technology Review. Martinis ha detto che la disposizione era un test: mostrava che la tecnologia dell'azienda funzionava ancora quando i qubit stavano fianco a fianco, come sarebbe accaduto in dispositivi più grandi. Lo stesso chip testava un approccio produttivo in cui i qubit e il cablaggio convenzionale che li controlla sono realizzati su chip separati e poi uniti tramite bump bonding. Il team di Google si era concentrato su quel metodo da quando era stato costituito, poco più di due anni prima. Il motivo: in un chip più grande le linee di controllo aggiuntive possono interferire con il funzionamento dei qubit.

Ma l'esperimento sulla supremazia richiedeva una griglia di 49 qubit, ha detto Martinis, non sei. Risultati precedenti di Google avevano usato nove qubit disposti in linea. I progetti per dispositivi da 30 a 50 qubit erano già in corso. Alla conferenza IEEE TechIgnite di Burlingame, in California, ha mostrato brevemente immagini del chip a sei qubit, anche se il gruppo non aveva divulgato formalmente i dettagli tecnici.

Google non era sola nella corsa. MIT Technology Review indicava come concorrenti Intel, Microsoft e IBM, insieme a diverse startup. Simon Gustavsson, ricercatore principale in un gruppo di ricerca sul calcolo quantistico al MIT, ha descritto Google come uno dei leader. "È abbastanza comparabile tra Google e IBM", ha detto.

Il contrannuncio di IBM

Il 10 novembre 2017, IBM ha dichiarato che i suoi scienziati avevano costruito e misurato un prototipo di processore con 50 bit quantistici. Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca di IBM sul calcolo quantistico e l'intelligenza artificiale, ha detto che era la prima volta che un'azienda costruiva un computer quantistico su quella scala. Lo ha riferito l'Associated Press, che ha ripreso l'annuncio tramite The Seattle Times.

Seth Lloyd, professore di ingegneria meccanica al MIT non coinvolto nella ricerca di IBM, ha detto che probabilmente IBM aveva ancora difetti da risolvere. L'annuncio dei 50 qubit, però, lo ha definito un segno di progresso significativo.

"I comunicati stampa parlano sempre di corsa allo spazio quantistico in termini di numero di qubit. È più che semplice quantità, è qualità dei qubit."

Quella frase è di Martinis, che parlava alla prima conferenza sul calcolo quantistico per le imprese, o Q2B, ospitata dalla startup QCWare al NASA Ames. Gizmodo, che ha seguito l'evento del dicembre 2017, ha riferito che Google stava allora fabbricando il suo dispositivo per la supremazia da 49 o 50 qubit e avrebbe iniziato i test entro due settimane, senza contare i ritardi delle vacanze di Natale.

Martinis ha anche spiegato in cosa sarebbe consistito il test. Il team di Google avrebbe intrecciato i suoi qubit in un circuito quantistico e lasciato evolvere il sistema. La misurazione finale poteva assumere valori diversi con probabilità diverse. Calcolare quei risultati è così complesso che un computer classico deve simulare il computer quantistico per riuscirci, ha riferito Gizmodo. Potevano servire settimane per fare ciò che la macchina quantistica faceva in minuti. Il problema non è utile per l'industria. È un benchmark.

Cosa non era quel traguardo

Le aspettative andavano calibrate, e le fonti lo dicono chiaramente. Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup di calcolo quantistico IonQ, ha definito l'esperimento sulla supremazia "un traguardo accademico". "Dopo devi ancora capire come renderlo più scalabile e programmabile", ha detto a MIT Technology Review.

Martinis concordava che restava molto da fare. Sosteneva però che l'esperimento poteva diventare un benchmark per chiunque affermasse di avere un computer quantistico funzionante. Ha anche detto che l'obiettivo aveva aiutato i manager di Google, e il cofondatore Sergey Brin, a capire che la tecnologia stava diventando reale. "Capiscono tutti e ne sono molto entusiasti", ha detto. "Stiamo cercando di ottenere sostegno all'interno di Google, e questo esperimento è stato molto utile per far parlare con noi altri ingegneri."

La tempistica è slittata. La rivendicazione della supremazia quantistica di Google è arrivata nel settembre 2019, non nel 2017. Fortune ha riferito che l'azienda ha detto che il suo processore Sycamore, con 53 qubit, ha campionato un circuito generato casualmente in circa 200 secondi. Un supercomputer all'avanguardia avrebbe impiegato all'incirca 10.000 anni per il compito equivalente. I ricercatori hanno stimato che lo stesso esperimento su un server Google Cloud avrebbe richiesto 50.000.000.000.000 di ore; sul processore quantistico ne ha impiegate 30. Fortune ha ottenuto una copia dell'articolo, che era stato pubblicato su NASA.gov e poi rimosso; il Financial Times ha riportato per primo la notizia. Un portavoce di Google ha rifiutato di confermare l'autenticità dell'articolo, e una fonte in Google ha suggerito che la NASA lo avesse pubblicato in anticipo, prima della revisione paritaria.

IBM ha contestato l'inquadramento. Dario Gil, responsabile di IBM Research, ha detto a Fortune che l'esperimento era un "esperimento di laboratorio" altamente particolare, con "nessuna applicazione pratica". "I computer quantistici non regneranno mai 'supremi' sui computer classici, ma lavoreranno piuttosto in concerto con essi, poiché ciascuno ha i suoi punti di forza unici", ha detto. Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, ha definito l'aggiornamento "un notevole indicatore di percorso" e ha detto che un computer quantistico commercialmente valido avrebbe richiesto molti più progressi di ricerca e sviluppo. "Sebbene lo sviluppo sia ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", ha detto.

IBM aveva già iniziato a sostenere un metro di misura diverso. All'incontro di marzo 2019 dell'American Physical Society, ha riferito ZDNET, IBM ha illustrato il suo più alto Quantum Volume fino ad allora. Il Quantum Volume è una metrica di prestazioni che combina numero di qubit, connettività e tempo di coerenza con errori di gate e di misurazione, diafonia del dispositivo ed efficienza del compilatore. IBM ha detto che il suo Q System One, con un processore a 20 qubit, ha prodotto un Quantum Volume di 16, il doppio dell'allora attuale IBM Q a 8, e aveva alcuni dei tassi di errore più bassi mai misurati da IBM. L'azienda ha detto che il Quantum Volume avrebbe dovuto raddoppiare ogni anno per raggiungere il Quantum Advantage, il punto in cui le applicazioni quantistiche offrono vantaggi significativi rispetto ai computer classici, nel giro del prossimo decennio. IBM ha raddoppiato ogni anno la potenza dei suoi computer quantistici dal 2017.

Tutto questo si colloca in un campo che, secondo i resoconti, è ben lontano dall'essere concluso. A Q2B, il fisico teorico del Caltech John Preskill ha descritto il periodo attuale come l'era NISQ, per computer quantistici Noisy, Intermediate-Scale (rumorosi, di scala intermedia). Preskill ha detto che il progresso verso un computer quantistico tollerante ai guasti deve continuare. Gizmodo ha osservato che le imprese non avrebbero potuto sfruttare il calcolo quantistico per parecchio tempo, forse decenni.

I ricercatori di Google erano più ottimisti nel loro articolo del 2019. "L'accelerazione quantistica è realizzabile in un sistema reale e non è preclusa da alcuna legge fisica nascosta", hanno scritto, secondo Fortune. Prevedevano che la potenza di calcolo quantistico sarebbe cresciuta a un tasso doppiamente esponenziale, più veloce del tasso esponenziale che definiva la legge di Moore. E hanno aggiunto una cautela che è invecchiata bene: "Siamo a un solo algoritmo creativo di distanza da applicazioni a breve termine di valore."