La supremazia quantistica di Google: 200 secondi contro 10.000 anni

Fortune ha ottenuto una copia del paper di Google, comparso brevemente su NASA.gov prima di essere rimosso. Un portavoce di Google non ha voluto confermare l'autenticità del paper né dei risultati. La NASA non ha risposto subito alla richiesta di commento, ha riferito Fortune il 20 settembre 2019.

Secondo il paper, il processore di Google ha impiegato circa 200 secondi per campionare un'istanza di un circuito quantistico 1.000.000 di volte. Per lo stesso compito un supercomputer all'avanguardia avrebbe bisogno di circa 10.000 anni, hanno scritto i ricercatori. Su un server Google Cloud lo stesso esperimento richiederebbe 50.000.000.000.000 di ore, secondo le loro stime. Sul processore quantistico ne sono bastati 30.

"L'accelerazione quantistica è raggiungibile in un sistema reale e non è preclusa da alcuna legge fisica nascosta", hanno scritto i ricercatori. Hanno anche previsto che la potenza di calcolo quantistico "crescerà a un tasso doppiamente esponenziale", più rapido del tasso esponenziale che ha definito la legge di Moore.

Sycamore, Bristlecone e i numeri dietro la rivendicazione

La macchina, battezzata Sycamore, conteneva 53 qubit. Il team era partito da un dispositivo a 72 qubit, Bristlecone, progettato in precedenza, e poi aveva ridotto le dimensioni. L'esperimento campionava numeri generati in modo casuale attraverso uno scenario specializzato che coinvolge fenomeni quantistici. I ricercatori hanno detto di aver stabilito che il loro computer quantistico batteva i computer normali in quel compito, che comportava il calcolo dell'output di alcuni circuiti specializzati.

"I processori quantistici basati su qubit superconduttori possono ora eseguire calcoli... oltre la portata dei più veloci supercomputer classici disponibili oggi", hanno scritto i ricercatori. "Per quanto ne sappiamo, questo esperimento segna il primo calcolo che può essere eseguito solo su un processore quantistico."

Fortune ha osservato che una fonte in Google ha suggerito che la NASA abbia pubblicato il paper per errore in anticipo, prima che le affermazioni del team potessero essere verificate a fondo attraverso la revisione paritaria scientifica, un processo che può richiedere da settimane a mesi. Se il paper regge all'esame, secondo Fortune segnerebbe un momento di svolta nella scienza quantistica, contrastando il dubbio che qualche imprevista legge di natura possa impedire ai computer quantistici di funzionare come sperato.

La rivendicazione non è passata senza obiezioni.

Dario Gil, a capo di IBM Research, ha sconsigliato di usare la supremazia quantistica come metrica per misurare i progressi nel campo. "L'esperimento e il termine 'supremazia' saranno fraintesi da quasi tutti", ha detto a Fortune. Gil ha descritto l'esperimento come un caso altamente speciale, un "esperimento di laboratorio" che non ha "applicazioni pratiche". Ha aggiunto: "I computer quantistici non regneranno mai 'supremi' su quelli classici, ma lavoreranno piuttosto in concerto con loro, dato che ciascuno ha i propri punti di forza."

Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, ha definito l'aggiornamento di Google "un notevole indicatore di percorso". Ha detto che "un computer quantistico commercialmente valido richiederà" molti progressi di ricerca e sviluppo prima di diventare realtà. "Sebbene lo sviluppo sia ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", ha aggiunto Clarke.

Come Google è arrivata fin qui

Il risultato segue un obiettivo che Google aveva annunciato pubblicamente due anni prima. Nell'aprile 2017, MIT Technology Review ha riferito che John Martinis, che guida il gruppo di ricerca quantistica di Google, si era dato qualche mese per raggiungere una tappa nella storia dell'informatica. Entro la fine di quell'anno, aveva detto Martinis, il suo team avrebbe costruito un dispositivo capace di raggiungere la "supremazia quantistica", cioè di eseguire un particolare calcolo oltre la portata di qualsiasi computer convenzionale. La prova sarebbe arrivata da una gara tra il chip di Google e uno dei più grandi supercomputer del mondo.

"Pensiamo di essere pronti a fare questo esperimento. È qualcosa che possiamo fare ora", ha detto Martinis all'epoca.

Una ragione della sua fiducia era un nuovo chip con sei qubit disposti in una configurazione due per tre. Secondo Martinis dimostrava che la tecnologia dell'azienda funzionava ancora quando i qubit erano affiancati, come sarebbero stati in dispositivi più grandi. Testava anche un metodo di produzione in cui i qubit e il cablaggio convenzionale che li controlla sono realizzati su chip separati e poi uniti tramite bump bonding. L'obiettivo era eliminare le linee di controllo extra che possono interferire con il funzionamento dei qubit.

"Quel processo funziona tutto", ha detto Martinis. "Ora siamo pronti a muoverci velocemente." I progetti per dispositivi da 30 a 50 qubit erano già in corso, ha detto, e Martinis ha affermato che avrebbe avuto bisogno di una griglia di 49 qubit per l'esperimento sulla supremazia.

Già allora i ricercatori discutevano su cosa avrebbe significato quella tappa. "Sarà una tappa accademica", ha detto Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup di calcolo quantistico IonQ. "Dopo dovrai comunque capire come renderlo più scalabile e programmabile." Martinis ha convenuto che molto restava da fare, ma ha sostenuto che l'esperimento poteva diventare un parametro di riferimento per chiunque affermasse di avere un computer quantistico funzionante.

Nel dicembre 2017 la gara aveva attirato un pubblico di imprese. Alla prima conferenza Q2B, tenutasi al NASA Ames, rappresentanti di aziende automobilistiche e aeree, grandi banche, società di software e militari hanno incontrato esperti, imprenditori e professori. Gizmodo ha riferito che quel mese Google era nel mezzo della fabbricazione del suo dispositivo da 49 o 50 qubit e avrebbe iniziato i test in due settimane, senza contare i ritardi delle vacanze di Natale, secondo Martinis.

Allo stesso evento Martinis ha contestato il modo in cui si vendevano i progressi. "I comunicati stampa parlano sempre della corsa allo spazio quantistico in numero di qubit", ha detto. "È più che una questione di quantità, è la qualità dei qubit."

La tappa concorrente di IBM

Google non era sola a rivendicare un primato. Il 10 novembre 2017, l'Associated Press ha riferito che IBM aveva costruito e misurato un prototipo di processore con 50 bit quantistici. Dario Gil, che guida 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 a questa scala.

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

IBM ha continuato a pubblicare tappe dopo quella. ZDNET ha riferito nel marzo 2019 che il Q System One di IBM, dotato di un processore a 20 qubit, ha prodotto un Quantum Volume di 16, il doppio dell'attuale IBM Q, che aveva un Quantum Volume di 8. IBM ha descritto il Quantum Volume come una metrica di prestazioni determinata dal numero di qubit, dalla connettività e dal tempo di coerenza, più la contabilizzazione degli errori di gate e di misurazione, della diafonia del dispositivo e dell'efficienza del compilatore software dei circuiti. IBM 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.

Tornando a Google, il team ha inquadrato il suo risultato come una transizione più che un arrivo. "Come risultato di questi sviluppi, il calcolo quantistico sta passando da argomento di ricerca a tecnologia che sblocca nuove capacità di calcolo", hanno scritto i ricercatori. "Siamo a un solo algoritmo creativo di distanza da applicazioni vicine nel tempo di valore."