Il chip quantistico di IBM batte la stima del supercomputer, mentre i rivali lavorano su entanglement e sicurezza post-quantistica

Il 29 settembre ScienceAlert ha riferito che il processore quantistico Nighthawk r2 di IBM ha generato un milione di campioni in 19 secondi. Gli autori dell'articolo stimano che a un supercomputer classico servirebbero circa 110 anni per lo stesso compito.

Il risultato, descritto in un preprint su arXiv, arriva da un chip superconduttivo da 120 qubit accessibile commercialmente tramite la piattaforma cloud di IBM, non da una macchina di laboratorio costruita su misura. La rivendicazione conta perché è l'ultimo round di una partita che va avanti dal 2018, quando i ricercatori dell'UC Berkeley sostennero per la prima volta che il campionamento di circuiti casuali (RCS) era un candidato forte per dimostrare il vantaggio quantistico. Il processore Sycamore da 53 qubit di Google finì sui giornali nel 2019 eseguendo un esperimento RCS che le macchine classiche non riuscivano a eguagliare in pratica. Poi i ricercatori classici trovarono delle scorciatoie e i team quantistici spinsero più avanti. Questo botta e risposta definisce il campo da anni: ogni dimostrazione è seguita da una confutazione classica, ogni confutazione da un test quantistico più difficile.

Cosa mostra davvero il risultato del 29 settembre

Secondo ScienceAlert, il team guidato dal fisico teorico della materia condensata Tigran Sedrakyan di BlueQubit ha selezionato 61 dei 120 qubit del Nighthawk r2. Il gruppo ha eseguito circuiti casuali di complessità crescente, fino a 40 cicli. Ha trovato quella che il rapporto chiama una zona di Goldilocks a 36 cicli, con 918 porte a due qubit. Con questa impostazione il processore ha prodotto il milione di campioni in 19 secondi usando il flusso di lavoro cloud standard della piattaforma, senza calibrazione speciale.

Il testo dell'articolo è prudente. "Per quanto ne sappiamo", scrivono i ricercatori, "questa è la prima dimostrazione di vantaggio quantistico per un campionamento di circuiti casuali vanilla su un processore quantistico commercialmente e ampiamente accessibile che la maggior parte degli utenti non esperti può facilmente replicare." Quest'ultima parte ha un peso reale. Le dimostrazioni precedenti si affidavano spesso a hardware messo a punto; questa ha usato la stessa interfaccia che vedrebbe qualsiasi cliente del cloud.

"Questa è la prima dimostrazione di vantaggio quantistico per un campionamento di circuiti casuali vanilla su un processore quantistico commercialmente e ampiamente accessibile."

La cifra di 110 anni è una stima, non una misurazione. Nessuno può davvero prenotare tempo su Frontier, il primo supercomputer exascale del mondo e il più veloce fino al 2024, così il team ha usato la contrazione di reti tensoriali per stimare il costo classico di riprodurre i campioni. Quel calcolo ha fissato il lavoro a circa 1,2 x 10^27 operazioni, che corrispondono a circa 110 anni su una stima prudente delle prestazioni sostenute di Frontier. ScienceAlert segnala due avvertenze. I 110 anni non sono un limite fondamentale per l'hardware classico, ma una stima legata a un solo metodo di riproduzione dell'esperimento. E i ricercatori di calcolo classico hanno un curriculum solido nel trovare scorciatoie algoritmiche. Gli autori del preprint ammettono direttamente questa possibilità; la loro rivendicazione riguarda ciò che è stato dimostrato il 29 settembre, non una barriera permanente.

Misurare l'entanglement e la partita lunga

La stessa settimana ha portato un secondo risultato, meno appariscente ma forse più strutturale. Il 29 settembre ScienceDaily ha riferito che ricercatori dell'Università di Kyoto e dell'Università di Hiroshima hanno sviluppato e dimostrato sperimentalmente un metodo per identificare gli stati W, una forma di entanglement multi-fotone che per più di due decenni aveva resistito a una misurazione efficiente in un solo colpo.

Il problema è il volume dei dati. La tomografia quantistica standard ricostruisce uno stato da molte misurazioni, e la quantità di dati necessaria cresce in modo esponenziale con il numero di fotoni. Una misurazione entangled può invece identificare uno stato in un solo colpo. Era già stato fatto per lo stato Greenberger-Horne-Zeilinger, ma non per gli stati W. Il team di Kyoto e Hiroshima ha usato una proprietà chiamata simmetria di spostamento ciclico per costruire un circuito quantistico fotonico che esegue una trasformata di Fourier quantistica, poi l'ha testato con tre fotoni.

"Più di 25 anni dopo la proposta iniziale sulla misurazione entangled per gli stati GHZ, abbiamo finalmente ottenuto la misurazione entangled anche per lo stato W, con una dimostrazione sperimentale genuina per stati W a 3 fotoni", ha detto l'autore corrispondente Shigeki Takeuchi nel resoconto di ScienceDaily. Il lavoro potrebbe alimentare il teletrasporto quantistico, i protocolli di comunicazione e il calcolo quantistico basato sulla misurazione.

I team di sicurezza si preparano già alla minaccia quantistica

Se i risultati sull'hardware mostrano progressi, il fronte della sicurezza mostra urgenza. Il 29 settembre Cloudflare ha pubblicato un post che descrive il lavoro con l'IETF su un meccanismo di protezione dal downgrade per IPsec, ora in beta su tutti i suoi prodotti IPsec. Il problema è che un attaccante di rete può rimuovere l'autenticazione post-quantistica da un handshake, costringendo gli endpoint a tornare alla crittografia classica che un futuro computer quantistico potrebbe violare. Cloudflare dice di aver riscoperto un difetto di progettazione in IPsec che consente un attacco più sofisticato rispetto al downgrade standard, uno che funziona indipendentemente dal metodo di autenticazione usato. L'attacco richiede un calcolo quantistico eseguito in tempo reale durante l'handshake del protocollo, quindi non è un lavoro da harvest-now-decrypt-later. Cloudflare afferma di non sapere ancora se e quando l'attacco sarà fattibile, ma dice che le stime delle risorse in calo per gli attacchi quantistici alla crittografia a chiave pubblica l'hanno spinta ad anticipare la scadenza della transizione al 2029.

La mitigazione richiede che entrambe le parti supportino l'estensione. Cloudflare l'ha abilitata in beta per Cloudflare WAN e Magic Transit, e i clienti possono richiedere il flag ipsec_downgrade_protection ai loro account manager. L'azienda dice di sperare che l'ecosistema IPsec più ampio segua.

Il calcolo si sposta fuori dal pianeta e l'energia è il vincolo

Altri due sviluppi dell'ultima settimana puntano in direzioni diverse. Il 29 settembre China-in-Space ha riferito che STAR.VISION Aerospace ha presentato la sua Space.IDC Computing Constellation al Global Digital Trade Expo il 25 settembre, con piani per circa 1.080 veicoli spaziali entro il 2035, divisi tra circa 720 unità di inferenza e 360 unità di calcolo generale. L'azienda ha citato accordi di credito per 10 miliardi di Yuan (1,49 miliardi di dollari al 28 settembre) con la Industrial and Commercial Bank of China e la Agricultural Bank of China, con almeno 1 miliardo di Yuan disponibili per una prima fase. Orbite, collegamenti intersatellitari, dimensioni dei radiatori e massa non sono stati divulgati, e le comunicazioni normative non sono ancora state presentate.

Lo stesso giorno Efficient Computer ha annunciato un round di Serie B da 97 milioni di dollari guidato da TQ Ventures, portando il totale raccolto a 173 milioni di dollari su una valutazione di 650 milioni. In un post sul blog aziendale, il CEO Brandon Lucia ha sostenuto che gli acceleratori AI a funzione fissa sono uno scambio sbagliato, perché la porzione non accelerata di un carico di lavoro fissa il tetto dell'efficienza del sistema, citando la legge di Amdahl. Efficient sostiene un'efficienza energetica da 10 a 100 volte migliore rispetto alle architetture CPU tradizionali per il suo chip Electron E1, che dice di stare lanciando in volumi.

Prese insieme, le notizie della settimana non descrivono una singola svolta. Descrivono un campo che lavora su più fronti contemporaneamente: dimostrare il vantaggio su hardware accessibile, imparare a misurare gli stati entangled in modo efficiente, rendere internet più resistente a una minaccia che non è ancora arrivata, e discutere da dove verrà l'energia per tutto questo. Il risultato dei 19 secondi è il titolo, ma è una stima su una macchina classica a cui non è mai stato davvero chiesto di provarci.