Supremazia quantistica: la corsa di Google e IBM verso un traguardo contestato

Google sostiene di aver raggiunto la "supremazia quantistica". La rivendicazione, presentata in un articolo scientifico, è l'indicazione più seria finora che i computer quantistici possono battere le macchine classiche in un compito specifico. Lo ha riferito Fortune il 20 settembre 2019. L'esperimento non è stato un passo avanti di uso generale. È stato un numero, e limitato, ma promesso da anni.

I numeri sono la storia. Il processore di Google, chiamato Sycamore, conteneva 53 qubit. Il team è sceso da un dispositivo a 72 qubit, Bristlecone, che aveva progettato in precedenza. Nell'esperimento, la macchina quantistica ha campionato numeri generati casualmente attraverso uno scenario specializzato che coinvolge fenomeni quantistici. I ricercatori hanno detto che il loro processore ha impiegato circa 200 secondi per campionare un'istanza del circuito quantistico 1.000.000 di volte. Un supercomputer all'avanguardia, hanno stimato, avrebbe bisogno di circa 10.000 anni per svolgere il compito equivalente. Eseguire lo stesso esperimento su un server di Google Cloud, secondo i ricercatori, richiederebbe 50.000.000.000.000 di ore.

Un articolo trapelato prima della revisione paritaria

Fortune ha ottenuto una copia dell'articolo, che era stato pubblicato su NASA.gov all'inizio di quella settimana prima di essere rimosso. Il Financial Times ha riportato per primo la notizia. Un portavoce di Google ha rifiutato di confermare l'autenticità dell'articolo e dei suoi risultati. La NASA non ha risposto immediatamente a una richiesta di commento.

Una fonte di Google a conoscenza della situazione ha suggerito che la NASA ha pubblicato l'articolo per errore, in anticipo, prima che le affermazioni del team potessero essere verificate a fondo attraverso la revisione paritaria scientifica, un processo che può richiedere da settimane a mesi. Quel dettaglio conta. Quando la notizia è uscita, il pubblico ha visto un traguardo prima che gli scienziati avessero finito di verificarlo.

"L'accelerazione quantistica è raggiungibile in un sistema reale e non è preclusa da alcuna legge fisica nascosta", hanno scritto i ricercatori di Google.

L'articolo prevedeva anche che la potenza di calcolo quantistico sarebbe "cresciuta a un tasso doppiamente esponenziale", battendo persino il tasso esponenziale che definiva la legge di Moore, la tendenza che osservava il raddoppio della potenza di calcolo tradizionale all'incirca ogni due anni. I ricercatori hanno scritto che i processori quantistici basati su qubit superconduttivi possono ora eseguire calcoli oltre la portata dei più veloci supercomputer classici disponibili oggi. "Per quanto ne sappiamo, questo esperimento segna il primo calcolo che può essere eseguito solo su un processore quantistico", hanno scritto.

La strada verso i 53 qubit

Il traguardo non è apparso dal nulla. Nell'aprile 2017, MIT Technology Review ha riferito che John Martinis, che guidava il gruppo di ricerca quantistica di Google, si era dato solo pochi mesi per raggiungere un traguardo nella storia dell'informatica. Entro la fine di quell'anno, ha detto Martinis, il suo team avrebbe costruito un dispositivo che raggiungeva la supremazia quantistica. Una ragione della sua fiducia era un nuovo chip con sei qubit disposti in una configurazione due per tre. Secondo Martinis, quel chip mostrava che la tecnologia funzionava ancora quando i qubit erano affiancati. Il chip a sei qubit testava anche un metodo di produzione in cui i qubit e il cablaggio convenzionale che li controlla sono realizzati su chip separati e successivamente uniti tramite bump bonding.

All'epoca, Google aveva pubblicato i risultati di un chip con nove qubit disposti in linea. Martinis ha detto che avrebbe avuto bisogno di una griglia di 49 qubit per l'esperimento sulla supremazia, e che i progetti per dispositivi con 30-50 qubit erano già in corso. Ha parlato del lavoro alla conferenza IEEE TechIgnite di Burlingame, in California, ma il gruppo non aveva ancora divulgato formalmente i dettagli tecnici.

Google non era sola. La corsa allo sviluppo di processori quantistici includeva Intel, Microsoft e IBM, più le startup. Simon Gustavsson, ricercatore principale in un gruppo di ricerca sul calcolo quantistico al MIT, ha detto a MIT Technology Review che Google era uno dei leader. "È abbastanza comparabile tra Google e IBM", ha detto. Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup di calcolo quantistico IonQ, ha definito l'esperimento sulla supremazia "un traguardo accademico". "Dopo, devi ancora capire come renderlo più scalabile e programmabile", ha detto.

Il contrattacco di IBM

IBM aveva il suo annuncio. Il 10 novembre 2017, l'Associated Press ha riferito che gli scienziati di IBM avevano costruito e misurato con successo un prototipo di processore con 50 qubit. Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca di IBM sul calcolo quantistico e l'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 probabilmente aveva ancora difetti da risolvere, ma l'annuncio dei 50 qubit era un segno di progresso significativo.

Nel marzo 2019, IBM parlava di una metrica diversa. ZDNET ha riferito che IBM avrebbe delineato il suo più alto Quantum Volume fino ad allora al March Meeting della American Physical Society. Il Quantum Volume è una metrica di prestazioni che tiene conto del numero di qubit, della connettività e del tempo di coerenza, più gli errori di gate e di misurazione, il cross talk del dispositivo e l'efficienza del compilatore software dei circuiti. IBM ha detto che il suo Q System One, che ha un processore a 20 qubit, produceva un Quantum Volume di 16, il doppio dell'attuale IBM Q, che aveva un Quantum Volume di 8. IBM ha anche detto che il Q System One aveva alcuni dei tassi di errore più bassi che avesse misurato.

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. IBM ha raddoppiato la potenza dei suoi computer quantistici ogni anno dal 2017. Ha reso disponibile la sua tecnologia di calcolo quantistico tramite un servizio cloud nel 2016.

Cosa non significa il traguardo

Gli scettici erano pronti. Dario Gil, capo di IBM Research, ha sconsigliato di usare la supremazia quantistica come metrica per misurare il progresso nel campo. "L'esperimento e il termine 'supremazia' saranno fraintesi da quasi tutti", ha detto a Fortune. Gil ha descritto l'esperimento come un caso altamente speciale, un "esperimento di laboratorio" che non ha "applicazioni pratiche". Ha aggiunto: "I computer quantistici non regneranno mai 'supremi' su quelli classici, ma lavoreranno piuttosto in concerto con essi, poiché ciascuno ha i suoi punti di forza unici".

Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, ha definito l'aggiornamento di Google "un notevole indicatore di percorso". Ha detto che un computer quantistico commercialmente valido richiederebbe molti progressi nella ricerca e sviluppo prima di diventare realtà. "Sebbene lo sviluppo sia ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", ha aggiunto Clarke.

Google stessa ha inquadrato il risultato con cautela. In un post pubblicato il 23 ottobre 2019, dopo che Nature ha pubblicato l'articolo nel suo numero del 150° anniversario, l'azienda ha detto che il traguardo era il momento "hello world" che aspettava, ma che sarebbero passati molti anni prima che un insieme più ampio di applicazioni reali potesse essere implementato. Il post descriveva uno sforzo di 13 anni, iniziato nel 2006 quando lo scienziato di Google Hartmut Neven ha iniziato a esplorare come il calcolo quantistico potesse accelerare l'apprendimento automatico. John Martinis e il suo team all'Università della California a Santa Barbara si sono uniti nel 2014. Due anni dopo, Sergio Boixo ha pubblicato un articolo che ha concentrato lo sforzo attorno al compito computazionale ben definito della supremazia quantistica.

Google ha anche riconosciuto i limiti. I computer quantistici sono soggetti a errori, eppure l'esperimento ha mostrato la capacità di eseguire un calcolo con errori sufficientemente pochi a una scala sufficientemente grande da superare un computer classico. Il post ha paragonato il momento alla costruzione del primo razzo che ha lasciato la gravità terrestre per toccare il confine dello spazio. All'epoca, alcuni chiedevano perché andare nello spazio senza arrivare da nessuna parte di utile.

Quel paragone è quello onesto. La supremazia quantistica era un benchmark, non un prodotto. Ha mostrato che un processore quantistico poteva fare qualcosa che una macchina classica non poteva, per un problema scelto con cura. Il lavoro utile, quello che potrebbe progettare batterie migliori o fertilizzanti più economici, resta lontano anni, secondo sia Google sia i suoi critici. La discussione che ne è seguita riguardava meno se l'esperimento avesse funzionato e più cosa ci facesse la parola "supremazia" nel titolo.