Sovranza quantistica: la corsa di Google, IBM e rivali al traguardo dei qubit

John Martinis, responsabile del gruppo di ricerca quantistica di Google, ha dichiarato a MIT Technology Review nell'aprile 2017 che il suo team di circa 25 persone avrebbe costruito un dispositivo in grado di raggiungere la "sovranza quantistica" entro la fine di quell'anno. L'obiettivo era una griglia di 49 qubit. L'hardware disponibile all'epoca ne aveva solo sei.

Quel divario tra promessa e silicio è una lente utile per osservare la corsa ai traguardi nel calcolo quantistico. Entro la fine del decennio, la competizione si è spostata sul vocabolario tanto quanto sulla fisica. Google, IBM, Intel, Microsoft e un gruppo di startup hanno ciascuno promosso la propria metrica di progresso. I numeri sono cambiati. Le definizioni non si sono stabilizzate.

Un gradino a sei qubit

Il chip a sei qubit di Google, descritto da Martinis alla conferenza IEEE TechIgnite a Burlingame, in California, disponeva i qubit in una configurazione due per tre. Il punto non era il numero grezzo, ma dimostrare che la tecnologia funzionava ancora quando i qubit erano affiancati, come necessario nei dispositivi più grandi. Il chip ha testato anche un metodo di produzione in cui i qubit e il cablaggio convenzionale che li controlla sono realizzati su chip separati e successivamente "bump bonded" insieme. Il team di Google si era concentrato su questo approccio da quando era stato istituito, poco più di due anni prima, con l'obiettivo di eliminare le linee di controllo aggiuntive che possono interferire con la funzione dei qubit.

"Quel processo sta funzionando tutto", ha detto Martinis a MIT Technology Review. "Ora siamo pronti a muoverci velocemente".

Martinis si è unito a Google alla fine del 2014 dall'Università della California, Santa Barbara, dove è rimasto professore. Simon Gustavsson del MIT, ricercatore principale in un gruppo di ricerca sul calcolo quantistico, ha descritto la leadership del settore come "abbastanza paragonabile tra Google e IBM". Chris Monroe, professore dell'Università del Maryland e cofondatore della startup IonQ, è stato franco su cosa avrebbe significato una dimostrazione di sovranza: "Sarà un traguardo accademico. Dopo, dovrai ancora capire come renderlo più scalabile e programmabile".

Martinis ha concordato che ne restava molto da fare. Ha sostenuto che l'esperimento potrebbe diventare un benchmark per chiunque affermi di avere un computer quantistico funzionante, e ha detto che l'obiettivo ha aiutato i manager di Google e il cofondatore Sergey Brin a capire che la tecnologia stava diventando reale. "Tutti lo capiscono e sono molto entusiasti", ha detto.

IBM risponde con 50 qubit

IBM è stata la prima sul numero di titolazione. Venerdì 10 novembre 2017, Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca di IBM su calcolo quantistico e intelligenza artificiale, ha dichiarato che gli scienziati dell'azienda avevano costruito e misurato con successo un prototipo di processore con 50 qubit. Gil l'ha definita la prima volta in cui un'azienda ha costruito un computer quantistico a quella scala, secondo il report dell'Associated Press riportato dal The Seattle Times.

Seth Lloyd, professore di ingegneria meccanica al MIT non coinvolto nella ricerca di IBM, ha detto che era probabile che IBM avesse ancora problemi da risolvere, ma che l'annuncio fosse un segno di progresso significativo. L'articolo non offriva alcuna verifica indipendente dell'affermazione sulle prestazioni.

Un mese dopo, alla prima conferenza sul calcolo quantistico per le imprese alla NASA Ames, Martinis ha ribattuto sul conteggio dei qubit come tabellone. "I comunicati stampa parlano sempre di corsa allo spazio quantistico in termini di numero di qubit", ha detto, secondo Gizmodo. "È più della sola quantità, è la qualità dei qubit".

Gizmodo ha riportato l'8 dicembre 2017 che Google stava allora fabbricando il suo dispositivo di sovranza a 49 o 50 qubit, con i test che dovevano iniziare in due settimane, non contando i ritardi delle vacanze natalizie. L'articolo ha anche abbozzato cosa avrebbe comportato il test: entangled dei qubit, lasciare che il sistema evolvesse, e campionare esiti la cui distribuzione di probabilità è così complessa che una macchina classica deve simulare il computer quantistico per verificarlo, potenzialmente richiedendo settimane per fare ciò che il dispositivo quantistico fa in minuti. Il teorico del Caltech John Preskill, presente, ha descritto il momento come l'era NISQ, per computer quantistico Noisy, Intermediate-Scale.

Sovranza affermata, poi contestata

L'affermazione è arrivata nel settembre 2019. Fortune ha ottenuto una copia di un paper di Google che era stato pubblicato su NASA.gov all'inizio della settimana prima di essere rimosso. Un portavoce di Google ha rifiutato di confermare l'autenticità del paper e i risultati. Una fonte di Google a conoscenza della situazione ha suggerito che la NASA lo avesse pubblicato per errore in anticipo, prima della revisione tra pari che poteva richiedere da settimane a mesi. Il Financial Times ha dato per primo la notizia.

I numeri centrali del paper erano netti. "Mentre il nostro processore impiega circa 200 secondi per campionare un'istanza del circuito quantistico 1.000.000 di volte, un supercomputer all'avanguardia richiederebbe circa 10.000 anni per eseguire il compito equivalente", hanno scritto i ricercatori. Il chip, chiamato Sycamore, conteneva 53 qubit. Il team aveva ridotto le ambizioni da un design a 72 qubit chiamato Bristlecone. Su un server Google Cloud, hanno stimato i ricercatori, lo stesso esperimento avrebbe richiesto 50 trilioni di ore; sul processore quantistico, 30 secondi. Hanno scritto che l'accelerazione quantistica era "raggiungibile in un sistema reale e non è preclusa da leggi fisiche nascoste", e hanno previsto che la potenza di calcolo quantistica sarebbe cresciuta a un tasso esponenziale doppio, più veloce della Legge di Moore.

Non tutti hanno accettato l'impostazione. Dario Gil, responsabile di IBM Research, ha detto a Fortune che l'esperimento era una dimostrazione di laboratorio di un caso altamente speciale con "nessuna applicazione pratica", e ha sconsigliato l'uso della sovranza quantistica come metrica di progresso. "L'esperimento e il termine 'sovranza' saranno fraintesi dalla quasi totalità", ha detto. "I computer quantistici non regneranno mai 'supremi' sui computer classici, ma lavoreranno insieme a loro, poiché ciascuno ha le proprie forze uniche". Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, l'ha chiamata "una notevole pietra miliare" e ha detto che un computer quantisticamente commercialmente fattibile avrebbe richiesto molti più avanzamenti di R&D. "Mentre lo sviluppo è ancora alla prima pietra miliare di questa maratona, crediamo fortemente nel potenziale di questa tecnologia", ha detto.

Il problema della metrica

IBM aveva già iniziato a sostenere un diverso parametro di confronto. A marzo 2019, ha riferito ZDNET, IBM ha delineato il suo Quantum Volume più alto fino ad allora al March Meeting della American Physical Society. Il Quantum Volume è determinato dal numero di qubit, connettività e tempo di coerenza, più errori di gate e misurazione, cross talk del dispositivo ed efficienza del compilatore software del circuito. 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 IBM Q a 8, e aveva alcuni dei tassi di errore più bassi misurati da IBM. 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, entro il prossimo decennio. Aveva raddoppiato la potenza dei suoi computer quantistici annualmente dal 2017.

Questa è la forma ricorrente di questa corsa. Un'azienda fissa un obiettivo, manca la data, poi ridefinisce la linea d'arrivo. Martinis ha promesso la sovranza entro la fine del 2017 con 49 qubit. Google ha consegnato un'affermazione nel 2019 con 53. IBM ha risposto con un prototipo a 50 qubit e poi con una metrica composita che ha reso il conteggio dei qubit solo uno degli input tra diversi. L'hardware è reale. Il tabellone no.