Supremazia quantistica a sette: cosa hanno fatto davvero Google e IBM

La rivendicazione di supremazia quantistica di Google, pubblicata su Nature il 23 ottobre 2019, ha chiuso una corsa di due anni iniziata con la promessa di John Martinis di raggiungere un traguardo entro la fine del 2017. L'azienda afferma che il suo processore Sycamore a 53 qubit ha impiegato 200 secondi per un compito di campionamento che richiederebbe a un supercomputer all'avanguardia circa 10.000 anni.

Questa è la cifra di copertina. L'argomento sottostante è più ristretto e i costruttori di macchine concorrenti hanno impiegato gli anni successivi a spiegare perché. Ciò che segue è una ricostruzione di come il traguardo sia stato stabilito, raggiunto e contestato, basata sui reportage che ne hanno parlato.

La scadenza che Martinis si era fissato

Nel aprile 2017, MIT Technology Review ha pubblicato un profilo di Martinis, che si era unito a Google alla fine del 2014 dall'Università della California, Santa Barbara, e guidava un gruppo di circa 25 ricercatori. Ha detto alla rivista che la sua squadra avrebbe costruito un dispositivo che raggiungeva la supremazia quantistica entro la fine di quell'anno, potendo eseguire un calcolo specifico oltre la portata di qualsiasi computer convenzionale. La prova sarebbe venuta da una gara tra il chip di Google e uno dei più grandi supercomputer al mondo.

All'epoca, Google aveva pubblicato i risultati di un chip a nove qubit disposti in linea. Il dispositivo più recente ne aveva solo sei, ma erano disposti in una griglia due per tre, cosa che Martinis disse mostrava che la tecnologia funzionava ancora quando i qubit erano affiancati. Il chip a sei qubit ha anche testato un metodo di fabbricazione in cui i qubit e i loro cavi di controllo vengono prodotti su chip separati e poi uniti tramite bump bonding, un processo che Martinis disse funzionava.

Ha detto che i progetti per dispositivi da 30 a 50 qubit erano già in corso e che avrebbe avuto bisogno di una griglia di 49 qubit per l'esperimento di supremazia.

"Pensiamo di essere pronti per questo esperimento. È qualcosa che possiamo fare adesso", ha detto Martinis a MIT Technology Review.

Non tutti inquadravano l'obiettivo nello stesso modo. Chris Monroe, professore dell'Università del Maryland e cofondatore della startup IonQ, lo ha definito un traguardo accademico. "Dopo devi ancora capire come renderlo più scalabile e programmabile", ha detto. Simon Gustavsson, ricercatore principale in un gruppo di calcolo quantistico al MIT, ha messo Google e IBM sullo stesso piano a quella fase.

IBM risponde con 50 qubit

IBM si è mossa prima sul conteggio grezzo. Il 10 novembre 2017, l'Associated Press ha riportato che gli scienziati IBM avevano costruito e misurato un prototipo di processore con 50 qubit. Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca IBM per il calcolo quantistico e l'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 nel lavoro, ha detto che IBM probabilmente aveva ancora dei glitch da risolvere, ma ha definito l'annuncio un segno di progressi significativi. L'AP non ha riportato un risultato di benchmark collegato al prototipo a 50 qubit. La scala e le prestazioni dimostrate stavano già diventando due conversazioni diverse.

Entro dicembre 2017, Martinis faceva questa distinzione esplicita a una conferenza. Gizmodo ha riportato dall'evento Q2B alla NASA Ames che lui si opponeva al conteggio dei qubit come tabellone dei punteggi. "I comunicati stampa parlano sempre di corsa allo spazio quantistico in termini di numero di qubit", ha detto. "Non è solo una questione di quantità, è la qualità dei qubit".

Alla stessa conferenza, Martinis ha detto che Google stava fabbricando il suo dispositivo di supremazia a 49 o 50 qubit quel mese e avrebbe iniziato i test entro due settimane, non contando i ritardi di Natale. Ha descritto l'esperimento: intrecciare i qubit, lasciare che il sistema evolva, poi misurare esiti le cui probabilità sono così complesse che una macchina classica deve simulare il computer quantistico per verificarli, richiedendo forse settimane per fare ciò che il dispositivo quantistico fa in minuti.

Il teorico del Caltech John Preskill, intervenuto allo stesso evento, ha chiamato questo periodo l'era NISQ, per computer quantistici intermedi scalari rumorosi, e ha detto che i progressi verso una macchina fault-tolerant devono continuare.

Supremazia, poi la controffensiva

Il risultato del 2019 è arrivato in un paper che Fortune ha ottenuto dopo che era stato brevemente postato su NASA.gov, poi rimosso. Google ha rifiutato di confermarne l'autenticità all'epoca. Il blog aziendale ha poi descritto il calcolo di test come durato 200 secondi contro migliaia di anni per i migliori algoritmi noti sui supercomputer più potenti. Il paper diceva che un server Google Cloud avrebbe bisogno di 50.000.000.000.000 di ore per lo stesso compito e che sul processore quantistico ne ha impiegate 30.

Sycamore aveva 53 qubit, ridotti da un design a 72 qubit chiamato Bristlecone. I ricercatori hanno scritto che l'accelerazione quantistica è raggiungibile in un sistema reale e non è preclusa da leggi fisiche nascoste, e hanno previsto che la potenza di calcolo quantistico sarebbe cresciuta a un tasso doppiamente esponenziale.

Il Gil di IBM ha respinto l'inquadratura piuttosto che l'esperimento. Ha detto a Fortune che il test era un esperimento di laboratorio altamente speciale senza applicazioni pratiche e che i computer quantistici lavorerebbero in concerto con le macchine classiche piuttosto che regnare supremi su di esse. Jim Clarke, direttore del hardware quantistico presso Intel Labs, lo ha definito un notevole punto di riferimento e ha detto che un computer quantistico commercialmente valido richiederebbe molti altri progressi.

Dall'allora il campo ha continuato a muoversi sul problema che conta più di qualsiasi singolo benchmark: la correzione degli errori. La ricerca pubblicata ha descritto la fattorizzazione con molto meno anni-core di CPU rispetto alle stime precedenti e i recenti titoli su IonQ, Infleqtion e una roadmap del Dipartimento dell'Energia puntano tutti nella stessa direzione. Nessuna di queste cose cancella il 2019. Conferma solo ciò che Monroe ha detto all'inizio: il traguardo era un inizio, non una linea d'arrivo.