Supremazia quantistica: cosa rivendicò il traguardo di Google nel 2019 e perché IBM obiettò

La rivendicazione di Google si basa su un solo numero: 200 secondi contro una stima di 10.000 anni. L'articolo è stato pubblicato su NASA.gov e riportato da Fortune il 20 settembre 2019. I ricercatori dell'azienda hanno scritto che il loro processore impiega circa 200 secondi per campionare un milione di volte una singola istanza del circuito quantistico. A un supercomputer all'avanguardia, per lo stesso compito, servirebbero circa 10.000 anni. Su questo confronto si regge l'intero termine supremazia quantistica, che indica una macchina quantistica capace di risolvere un problema che un computer classico non può risolvere in alcun tempo praticabile.

La macchina si chiamava Sycamore e portava 53 qubit. Google aveva già progettato un dispositivo a 72 qubit chiamato Bristlecone, per poi ridimensionare il progetto. I ricercatori hanno anche stimato che eseguire lo stesso esperimento su un server di Google Cloud avrebbe richiesto 50.000.000.000.000 di ore, mentre sul processore quantistico ne bastavano 30.

All'inizio Google non aveva confermato nulla di tutto ciò. Un portavoce si è rifiutato di confermare l'autenticità dell'articolo e dei suoi risultati, e la NASA non ha risposto subito a una richiesta di commento. Una fonte interna a Google, a conoscenza della situazione, ha suggerito che la NASA avesse pubblicato l'articolo per errore in anticipo, prima che le affermazioni del team potessero essere vagliate a fondo con la peer review scientifica, un processo che può richiedere da settimane a mesi. Il Financial Times ha riportato per primo la notizia.

Due anni di avvicinamento

Google segnalava questo obiettivo almeno dal 2017. In aprile di quell'anno, MIT Technology Review ha riferito che John Martinis, che guidava il gruppo di ricerca di Google, si era dato solo pochi mesi per raggiungere un traguardo nella storia dell'informatica. Martinis è entrato in Google alla fine del 2014 dall'Università della California, Santa Barbara, dove è ancora professore. Il suo gruppo, una ventina di persone, aveva costruito un chip a sei qubit disposti in una configurazione due per tre. Quel chip testava un metodo di produzione in cui i qubit e il cablaggio convenzionale che li controlla vengono realizzati su chip separati e poi uniti tramite bump bonding. L'approccio serviva a eliminare le linee di controllo extra che possono interferire con il funzionamento dei qubit.

"Quel processo funziona tutto", ha detto Martinis a MIT Technology Review all'epoca. "Ora siamo pronti a muoverci velocemente." Ha detto che i progetti per dispositivi da 30 a 50 qubit erano già in corso, e che per il suo esperimento di supremazia quantistica avrebbe avuto bisogno di una griglia di 49 qubit. Nel dicembre 2017, parlando alla conferenza Q2B al NASA Ames, metteva in guardia dal leggere i progressi come un semplice conteggio di qubit. "I comunicati stampa parlano sempre di corsa allo spazio quantistico in termini di numero di qubit", ha riferito Gizmodo citandolo. "È più che semplice quantità, è qualità dei qubit." Gizmodo ha riportato che Google stava allora fabbricando il suo dispositivo da 49 o 50 qubit e avrebbe iniziato i test entro due settimane.

Altre aziende si muovevano sullo stesso terreno. IBM ha annunciato nel novembre 2017 che i suoi scienziati avevano costruito e misurato un prototipo di processore con 50 qubit. Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca di IBM su quantum computing e 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 IBM aveva probabilmente ancora difetti da risolvere, ma che l'annuncio era un segno di progresso significativo.

Quando è emerso l'articolo di Google, Dario Gil di IBM, nel frattempo a capo di IBM Research, ha sostenuto che non si dovesse usare affatto la supremazia quantistica come metrica. "L'esperimento e il termine 'supremazia' saranno fraintesi da quasi tutti", ha detto a Fortune, descrivendo il lavoro come un esperimento di laboratorio altamente speciale senza applicazioni pratiche. "I computer quantistici non domineranno mai in modo 'supremo' su quelli classici, ma lavoreranno piuttosto in concerto con essi, dato che ciascuno ha i suoi punti di forza unici."

Confermato su Nature, e cosa non significava

Il 23 ottobre 2019, il blog di Google ha confermato che Nature aveva pubblicato il risultato nel numero per il suo 150° anniversario. Il blog descriveva il calcolo di prova come lungo 200 secondi, ripeteva che i migliori algoritmi conosciuti sui supercomputer più potenti avrebbero richiesto migliaia di anni, e lo inquadrava come il momento "hello world" che il settore aspettava. Diceva anche chiaramente che c'è molta strada da fare tra gli esperimenti di laboratorio e le applicazioni pratiche, e che passeranno molti anni prima che si possa implementare un insieme più ampio di applicazioni reali.

Gli stessi ricercatori di Google avevano fatto un'osservazione simile nell'articolo. "Siamo a un solo algoritmo creativo di distanza da applicazioni a breve termine di valore", hanno scritto. Il blog citava uno sforzo di 13 anni: Hartmut Neven ha iniziato a esplorare il quantum computing per il machine learning nel 2006, Martinis e il suo team di Santa Barbara si sono uniti nel 2014, e Sergio Boixo ha pubblicato due anni dopo un articolo che ha concentrato lo sforzo sul compito computazionale ben definito della supremazia quantistica.

I ricercatori esterni separavano già il traguardo dal marketing. Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup di quantum computing IonQ, ha detto a MIT Technology Review nel 2017 a cosa sarebbe equivalso realizzare l'esperimento: "Sarà un traguardo accademico. Dopo dovrai comunque capire come renderlo più scalabile e programmabile." Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, ha definito l'aggiornamento di Google del 2019 "un notevole segnavia" e ha detto che un computer quantistico commercialmente valido avrebbe richiesto prima molti progressi in ricerca e sviluppo. "Anche se lo sviluppo è ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", ha detto.

Il qualificatore che tende a perdersi è la scala. I processori quantistici dovrebbero essere molto più grandi di 50 qubit per essere capaci di lavoro utile, ha osservato MIT Technology Review. L'esperimento di supremazia è stato progettato per essere difficile per una macchina classica proprio perché non è un problema industriale utile. Campionava numeri generati casualmente attraverso uno scenario specializzato che coinvolge fenomeni quantistici, calcolando l'output di alcuni circuiti specializzati, invece di risolvere qualcosa che un'azienda ha bisogno di risolvere.

Per questo IBM continuava a spingere su un metro diverso. Nel marzo 2019, ha riferito ZDNET, IBM stava delineando il suo più alto Quantum Volume fino ad allora, una metrica di prestazioni che combina numero di qubit, connettività, tempo di coerenza, errori di gate e misurazione, cross talk del dispositivo ed efficienza del compilatore software dei circuiti. IBM ha detto che il suo Q System One, con un processore a 20 qubit, produceva un Quantum Volume di 16, il doppio dell'IBM Q attuale a 8. L'azienda 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. IBM aveva raddoppiato ogni anno la potenza dei suoi computer quantistici dal 2017.

L'inquadramento di Google di quel momento era più grandioso. Il blog lo paragonava alla costruzione del primo razzo che ha lasciato la gravità terrestre per toccare il confine dello spazio, e alle domande che ne sono seguite sul perché andarci affatto. "Ci ha mostrato cosa era possibile e ha spinto l'apparentemente impossibile dentro l'orizzonte", diceva. Gli autori dell'articolo sono andati oltre, prevedendo che la potenza di calcolo quantistico sarebbe cresciuta a un tasso doppiamente esponenziale, battendo persino il tasso esponenziale che definiva la legge di Moore.

Il caveat della peer review non è mai scomparso del tutto dalla vicenda, ma la pubblicazione su Nature ha risolto la questione se il risultato sarebbe stato vagliato formalmente. Ciò che non ha risolto è la discussione sulla parola. Il blog di Google definiva la supremazia quantistica un termine tecnico dal significato ristretto. L'obiezione di IBM era che il significato ristretto sarebbe stato letto come uno ampio, e quella lettura ha accompagnato il settore da allora.