Il Sycamore a 53 qubit di Google e il prototipo a 50 qubit di IBM: come si è svolta la corsa ai traguardi quantistici

Google la chiamò supremazia quantistica. IBM la definì un esperimento di laboratorio senza applicazioni pratiche. Parlavano dello stesso risultato del 2019, e per anni entrambe avevano lavorato per arrivarci.

Secondo un articolo che Fortune ottenne nel settembre 2019, il processore Sycamore di Google conteneva 53 qubit. L'azienda disse che la macchina impiegava circa 200 secondi per campionare un milione di volte una singola istanza di un circuito quantistico. Un supercomputer all'avanguardia, per lo stesso compito, avrebbe avuto bisogno di circa 10.000 anni. I ricercatori stimarono che lo stesso lavoro su un server di Google Cloud avrebbe richiesto 50.000.000.000.000 di ore. Sul processore quantistico, dissero, ne bastavano 30.

L'articolo comparve su NASA.gov prima di essere rimosso. Fortune riferì che il Financial Times aveva dato per primo la notizia. Un portavoce di Google si rifiutò di confermare l'autenticità dell'articolo e dei suoi risultati, e la NASA non rispose subito a una richiesta di commento. Una fonte interna a Google, a conoscenza della situazione, suggerì che la NASA aveva pubblicato l'articolo per errore, in anticipo, prima che le rivendicazioni del team passassero attraverso la revisione paritaria scientifica. Un processo che può richiedere settimane o mesi.

Da sei qubit a un obiettivo di supremazia

Il risultato non arrivò dal nulla. Nell'aprile 2017, MIT Technology Review riferì che John Martinis, che guida il gruppo di ricerca quantistica di Google, si era dato fino alla fine di quell'anno per dimostrare la supremazia quantistica. La definizione era questa: un calcolo fuori portata per qualsiasi computer convenzionale. Martinis disse che l'esperimento avrebbe messo il chip di Google contro uno dei più grandi supercomputer del mondo.

A quel punto il chip più recente di Google aveva sei qubit, disposti due per tre. Martinis disse che la disposizione dimostrava che la tecnologia funzionava ancora quando i qubit stavano fianco a fianco, come sarebbe accaduto in dispositivi più grandi. Il chip testava anche un metodo di produzione: i qubit e il loro cablaggio di controllo convenzionale vengono realizzati su chip separati e poi uniti tramite bump bonding. Un approccio pensato per eliminare le linee di controllo extra che possono interferire con il funzionamento dei qubit.

"Quel processo funziona tutto", disse Martinis a MIT Technology Review. "Ora siamo pronti a muoverci velocemente." Disse che i progetti per dispositivi da 30 a 50 qubit erano già in corso, e che per l'esperimento di supremazia avrebbe avuto bisogno di una griglia di 49 qubit. Google aveva già pubblicato i risultati di un chip a nove qubit disposti in linea.

Martinis era entrato in Google alla fine del 2014 dall'Università della California, Santa Barbara, dove restava professore. Al tempo dell'articolo del 2017, il suo gruppo contava circa 25 persone. Simon Gustavsson del MIT disse alla testata che Google era uno dei leader del settore e che la corsa era "piuttosto equilibrata tra Google e IBM".

Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup IonQ, fu più prudente. "Sarà un traguardo accademico", disse dell'obiettivo di supremazia. "Dopo, devi ancora capire come renderlo più scalabile e programmabile." Martinis convenne che restava molto da fare, ma sostenne che l'esperimento poteva diventare un riferimento per chiunque rivendicasse un computer quantistico funzionante.

I 50 qubit di IBM e una disputa sulla parola supremazia

IBM si mosse per prima sul numero che Google aveva preso di mira. Nel novembre 2017, l'Associated Press riferì che gli scienziati di IBM avevano costruito e misurato un prototipo di processore con 50 qubit. Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca di IBM sul calcolo quantistico e l'intelligenza artificiale, disse che era la prima volta che un'azienda costruiva un computer quantistico a quella scala.

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

Meno di un mese dopo, alla conferenza Q2B al NASA Ames, Martinis contestò il conteggio dei qubit usato come tabellone. "I comunicati stampa parlano sempre di corsa allo spazio quantistico in numero di qubit", disse, secondo Gizmodo. "È più della semplice quantità, è la qualità dei qubit." Google, disse, stava fabbricando quel mese il suo dispositivo di supremazia da 49 o 50 qubit e avrebbe iniziato i test entro due settimane, ritardi delle vacanze di Natale a parte.

Il resoconto di Gizmodo descriveva il problema che Google intendeva eseguire: entangled i qubit, lasciare evolvere il sistema, poi misurare. Lo stato finale assume valori diversi con probabilità diverse. Calcolare i possibili esiti è così complesso che un computer classico deve simulare la macchina quantistica, impiegando potenzialmente settimane per fare ciò che il computer quantistico fa in minuti. L'esercizio mette alla prova non solo il numero di qubit ma la loro qualità: i qubit non devono produrre valori errati né decadere in bit ordinari interagendo con l'ambiente.

La conferenza attirò rappresentanti di aziende automobilistiche e aeree, banche, software house e militari. Volkswagen, Airbus, Citibank, Emerson e l'azienda informatica europea Atos erano tra i presenti, insieme a società di venture capital. John Preskill, fisico teorico del CalTech, disse al pubblico che il settore stava entrando in quella che chiamò l'era NISQ, per computer quantistici rumorosi a scala intermedia, e che il progresso verso una macchina tollerante ai guasti doveva continuare.

Quantum Volume e l'attesa lunga un decennio

La risposta di IBM al conteggio dei qubit arrivò nel marzo 2019. Al March Meeting dell'American Physical Society, l'azienda illustrò il suo più alto Quantum Volume fino ad allora. È una metrica che combina numero di qubit, connettività e tempo di coerenza, tenendo conto degli errori di gate e di misurazione, del cross talk tra dispositivi e dell'efficienza del compilatore.

IBM disse che il suo Q System One, costruito attorno a un processore a 20 qubit, produceva un Quantum Volume di 16, il doppio del valore IBM Q allora corrente, pari a 8. L'azienda disse anche che il sistema aveva alcuni dei tassi di errore più bassi che avesse misurato.

ZDNet riferì la previsione di IBM: il Quantum Volume avrebbe dovuto raddoppiare ogni anno per raggiungere il Quantum Advantage entro il decennio successivo. Il Quantum Advantage è il punto in cui le applicazioni quantistiche offrono vantaggi significativi rispetto ai computer classici. IBM ha raddoppiato ogni anno la potenza dei suoi computer quantistici dal 2017, disse l'azienda. Aveva reso disponibile la sua tecnologia quantistica tramite un servizio cloud nel 2016 e aveva lavorato con partner su casi d'uso commerciali e scientifici.

Quella impostazione preparò la discussione seguita all'articolo di Google del settembre 2019. Dario Gil, ormai a capo di IBM Research, sconsigliò di usare la supremazia quantistica come metrica di progresso. "L'esperimento e il termine 'supremazia' saranno fraintesi da quasi tutti", disse a Fortune, descrivendo il lavoro come un esperimento di laboratorio altamente specifico senza applicazioni pratiche. "I computer quantistici non regneranno mai 'supremi' su quelli classici, ma lavoreranno piuttosto in concerto con loro, dato che ciascuno ha i suoi punti di forza unici."

Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, definì l'aggiornamento di Google "un notevole indicatore di percorso" e disse che un computer quantistico commercialmente valido avrebbe richiesto molti altri progressi di ricerca e sviluppo. "Anche se lo sviluppo è ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", disse.

Cosa rivendicava l'articolo, e cosa no

I ricercatori di Google scrissero che l'accelerazione quantistica era raggiungibile in un sistema reale e non era esclusa da alcuna legge fisica nascosta. 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. Scrissero anche che il calcolo quantistico stava passando da tema di ricerca a tecnologia che sblocca nuove capacità computazionali, e che "siamo a un solo algoritmo creativo di distanza da applicazioni a breve termine di valore".

La macchina stessa era un passo indietro nel numero di qubit rispetto a un progetto precedente. Google aveva in precedenza progettato un dispositivo a 72 qubit chiamato Bristlecone, ma era tornata al Sycamore a 53 qubit per l'esperimento.

Vale la pena tenere le dichiarazioni pubbliche precedenti dell'azienda accanto alla rivendicazione del 2019. Nel 2017, Martinis disse che i processori quantistici avrebbero dovuto essere molto più grandi di 50 qubit per essere capaci di lavoro utile. La valutazione di Monroe, secondo cui la supremazia sarebbe stata un traguardo accademico con scalabilità e programmabilità ancora da risolvere, non fu contraddetta da nulla nell'articolo.

Il portavoce di Google si rifiutò di confermare l'autenticità dell'articolo, e la NASA, che lo aveva brevemente ospitato, rimase in silenzio. La revisione paritaria, disse la fonte dell'azienda, poteva richiedere settimane o mesi. Il risultato che raggiunse per primo il pubblico arrivò attraverso una fuga di notizie, non una rivista.

Questa è la forma della corsa ai traguardi come la documentano i fatti: un prototipo a 50 qubit di IBM nel novembre 2017, una rivendicazione di supremazia a 53 qubit di Google nel settembre 2019, e in mezzo una disputa su una metrica, se sia il numero di qubit o la loro qualità il dato che conta. Alle aziende, come annotò Gizmodo dalla sala del Q2B, fu detto che l'uso pratico poteva essere lontano decenni. La previsione di IBM stessa collocava il Quantum Advantage entro un decennio se il Quantum Volume avesse continuato a raddoppiare ogni anno.

Entrambe le aziende continuarono a costruire. La discussione su come chiamare il risultato durerà probabilmente più a lungo dell'hardware che lo ha prodotto.