Supremazia quantistica: come Google e IBM hanno trasformato il numero di qubit in una corsa lunga un decennio

Google ha dichiarato di aver raggiunto la supremazia quantistica, il momento in cui un computer quantistico risolve un problema fuori dalla portata pratica di qualsiasi macchina classica. L'articolo dell'azienda, ottenuto da Fortune dopo essere apparso brevemente su NASA.gov, descriveva un processore chiamato Sycamore con 53 qubit, o bit quantistici.

Il numero in sé non era il punto. Quando Google ha reso pubblica la sua rivendicazione nel settembre 2019, la corsa aveva già prodotto una serie di annunci costruiti intorno al numero di qubit, a trucchi nel cablaggio e ai tassi di errore. Ognuno arrivava con un'avvertenza. "I comunicati stampa parlano sempre della corsa allo spazio quantistico in termini di numero di qubit", ha detto John Martinis, il fisico dell'Università della California, Santa Barbara, che guidava lo sforzo di Google, alla conferenza Q2B al NASA Ames nel dicembre 2017. "È più che una questione di quantità, è la qualità dei qubit."

Due anni prima, un test a sei qubit

MIT Technology Review ha riferito nell'aprile 2017 che Martinis si era dato qualche mese per raggiungere un traguardo nella storia dell'informatica. Il suo gruppo in Google, circa 25 persone, aveva costruito un chip a sei qubit disposti in una griglia due per tre. La disposizione contava perché era il primo test per verificare se i qubit dell'azienda funzionassero ancora quando collocati fianco a fianco, come sarebbe stato necessario in un dispositivo più grande.

Il chip testava anche un metodo di produzione in cui i qubit e il cablaggio convenzionale che li controlla vengono realizzati su chip separati e poi uniti tramite bump bonding. Secondo lo stesso articolo, il team di Google si era concentrato su quell'approccio fin dalla fondazione del gruppo, poco più di due anni prima. L'obiettivo era eliminare le linee di controllo aggiuntive che possono interferire con il funzionamento dei qubit. "Quel processo funziona tutto", ha detto Martinis all'epoca. "Ora siamo pronti a muoverci velocemente."

A quello stadio Google aveva dimostrato il calcolo quantistico con nove qubit disposti in linea. Martinis ha detto che gli serviva una griglia di 49 qubit per l'esperimento di supremazia. I progetti per dispositivi da 30 a 50 qubit erano già in corso.

IBM risponde con 50 qubit

IBM si è mossa per prima. Il 10 novembre 2017 l'Associated Press ha riferito che gli scienziati di IBM 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 sull'intelligenza artificiale, ha detto che era la prima volta che un'azienda costruiva un computer quantistico su quella scala. Seth Lloyd, professore di ingegneria meccanica al MIT non coinvolto nella ricerca, ha detto che IBM aveva probabilmente ancora difetti da risolvere, ma ha definito l'annuncio un segno di progresso significativo.

La risposta di Google è arrivata poche settimane dopo, alla conferenza Q2B. Martinis ha detto che il suo team stava fabbricando quel mese un dispositivo di supremazia da 49 o 50 qubit e che avrebbe iniziato i test entro due settimane, senza contare i ritardi per le vacanze di Natale. Ha anche descritto il problema che il dispositivo avrebbe risolto. Il team avrebbe entangled i suoi qubit e lasciato evolvere il sistema nel tempo, poi misurato i risultati. Simulare quegli esiti su un computer classico avrebbe richiesto settimane, mentre la macchina quantistica poteva farlo in minuti, un divario che avrebbe dimostrato sia la scala sia la qualità dei qubit.

Non tutti trattavano il numero di qubit come un tabellone utile. "Sarà un traguardo accademico", ha detto Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup di calcolo quantistico IonQ, a MIT Technology Review. "Dopo, devi comunque capire come renderlo più scalabile e programmabile."

La rivendicazione del 2019 e le obiezioni

L'articolo di Google diceva che il suo processore impiegava circa 200 secondi per campionare un'istanza di un circuito quantistico un milione di volte, mentre un supercomputer all'avanguardia avrebbe richiesto circa 10.000 anni per il compito equivalente. Lo stesso esperimento su un server di Google Cloud avrebbe richiesto 50.000.000.000.000 di ore, secondo le stime dei ricercatori. Sul processore quantistico ne servivano 30. "Per quanto ne sappiamo, questo esperimento segna il primo calcolo che può essere eseguito solo su un processore quantistico", hanno scritto.

Gil di IBM ha respinto l'impostazione. "L'esperimento e il termine 'supremazia' saranno fraintesi da quasi tutti", ha detto a Fortune. L'ha descritto come un esperimento di laboratorio altamente specifico, senza applicazioni pratiche, e ha detto che i computer quantistici avrebbero lavorato accanto alle macchine classiche, non dominandole. Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, ha definito il risultato un notevole indicatore di percorso e ha detto che un computer quantistico commercialmente valido avrebbe richiesto molti altri progressi. "Anche se lo sviluppo è ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", ha detto.

Il post sul blog di Google, pubblicato dopo che Nature ha diffuso il risultato nell'ottobre 2019, mescolava celebrazione e cautela. L'azienda faceva risalire il suo impegno nel quantistico al 2006, quando lo scienziato Hartmut Neven ha iniziato a esplorare come la tecnologia potesse accelerare l'apprendimento automatico, e notava che Martinis e il suo team di Santa Barbara si erano uniti nel 2014. Diceva che le applicazioni pratiche restavano lontane molti anni. Attribuiva inoltre a una chiusura forzata del laboratorio durante gli incendi della California meridionale dell'ottobre 2018 il merito di aver aiutato il team a ripartire dopo un periodo in cui i progressi erano rallentati.

Le tempistiche commerciali restavano vaghe. All'American Physical Society March Meeting del 2019, IBM ha detto che il suo Q System One, con un processore a 20 qubit, aveva raggiunto un Quantum Volume di 16, il doppio dell'8 della sua precedente macchina IBM Q. Il Quantum Volume tiene conto del numero di qubit, della connettività, del tempo di coerenza, degli errori di gate e di misura, della diafonia del dispositivo e dell'efficienza del compilatore. IBM ha detto che la metrica avrebbe dovuto raddoppiare ogni anno per raggiungere il Quantum Advantage nel decennio successivo, e che aveva raddoppiato la potenza dei suoi computer quantistici ogni anno dal 2017.

ZDNET ha riferito che i casi d'uso pratici e ampi erano ancora lontani anni. Più o meno dove si trova oggi il settore. Un traguardo, anche autentico, non è un prodotto.