Il traguardo del chip quantistico accende l’entusiasmo per il futuro del calcolo

Un nuovo traguardo nel calcolo quantistico

Quantum computing is, together with AI, a new horizon for the tech industry. This is because, contrary to altre tecnologie di calcolo non al silicioe, like graphene, photonics, or even biological organoids, quantum computing performs calculations in a radically new way.

Lo fa sfruttando gli effetti quantistici, con il calcolo non basato su 0 e 1 (bit binari), ma su qubit, dove i dati della particella sono contemporaneamente 0 E 1, oppure 1, oppure 0. Questi diversi metodi significano che per alcuni problemi matematici i computer quantistici possono essere assurdamente più efficienti dei computer tradizionali.

Ed è esattamente quello che Google ha appena dimostrato: ha svelato un nuovo chip che impiega cinque minuti per risolvere un problema che attualmente richiederebbe ai supercomputer più veloci al mondo dieci septilioni – ovvero 10.000.000.000.000.000.000.000.000 anni – per essere completato.

Oltre a queste prestazioni straordinarie, potrebbe anche essere il primo chip di computer quantistico con una reale possibilità di essere scalabile e affidabile per calcoli utili. I risultati sono stati pubblicati nella prestigiosa rivista scientifica Nature, con il titolo “Quantum error correction below the surface code threshold“.

Incontra Willow

The Google quantum computing chip in question is called Willow.

Fonte: Google

Questa è l’ultima versione di una serie di chip quantistici sempre più potenti sviluppati da Google, chiamati Foxtail, Bristlecone e Sycamore.

Fonte: Google

Per testare le prestazioni di Willow, è stato utilizzato il benchmark di random circuit sampling (RCS) per confrontarlo con un supercomputer tradizionale. Questa tecnica è stata creata per misurare le prestazioni di Sycamore, valutando la quantità di qubit necessaria per eguagliare un risultato equivalente usando un computer classico.

Fonte: Google

La scalabilità finalmente a portata di mano

Una delle principali limitazioni del calcolo quantistico finora è che i qubit sono estremamente fragili. Questo perché gli stati quantistici tendono a durare poco, con interferenze dall’ambiente che destabilizzano le condizioni necessarie al calcolo quantistico.

Per questo tutti i computer quantistici attuali utilizzano condizioni ultra‑fredde e richiedono materiali superconduttori. Ciò li rende non solo più complessi e costosi, ma anche molto difficili da utilizzare in modo affidabile.

“Per far sì che un computer quantistico esegua calcoli utili, “hai bisogno di informazioni quantistiche e devi proteggerle dall’ambiente — e da noi stessi, mentre le manipoliamo”.

Julian Kelly – Fisico di Google a capo della divisione hardware quantistico

A peggiorare il problema, finora più qubit ci sono in un sistema, più alto è l’errore, con qualsiasi instabilità che provoca un effetto domino. Quindi più qubit, più errore, fino al punto in cui aggiungere più potenza di calcolo diminuisce effettivamente le prestazioni complessive.

E forse più che per la sua capacità di calcolo, è qui che Willow rappresenta una vera svolta.

Puoi anche vedere direttamente più dettagli sulle prestazioni esatte di Willow nella presentazione video dedicata di Google:

Correzione degli errori

Il passo fondamentale per Google è stato lavorare sulla cosiddetta correzione degli errori. L’idea è che, in un determinato computer quantistico, alcuni qubit saranno più affidabili di altri.

In questo modo, i qubit fuori norma o a bassa prestazione possono essere riconfigurati per funzionare come il resto del chip.

Fonte: Google

Ulteriori miglioramenti possono essere ottenuti perfezionando il metodo di calibrazione, così da minimizzare gli errori tramite miglioramenti software su tutti i qubit.

Soglia di correzione degli errori quantistici

Questa soglia è un obiettivo a lungo ricercato dagli scienziati del calcolo quantistico. È il punto in cui il tasso di errore è sufficientemente basso da far sì che, aggiungendo più qubit, si ottenga meno errore. È stata a lungo teorizzata, ma realizzata per la prima volta con Willow.

Abbiamo testato array sempre più grandi di qubit fisici, passando da una griglia di 3×3 qubit codificati, a una griglia di 5×5, a una griglia di 7×7 — e ogni volta, usando i nostri ultimi progressi nella correzione degli errori quantistici, siamo riusciti a dimezzare il tasso di errore.

Google Quantum Computing Department

Fonte: Google

In sostanza, invece di accumularsi fino al collasso, gli errori sono ora così rari da poter essere corretti con potenza di calcolo aggiuntiva, aumentando l’affidabilità dell’intero sistema.

Un fattore chiave per Google nel raggiungere questa svolta è stato un miglioramento radicale di una specifica prestazione del qubit chiamata “tempo di coerenza del qubit”. È il periodo in cui il qubit può mantenere il suo stato di coerenza, condizione prerequisita per eseguire calcoli quantistici.

Willow ha raggiunto uno stato di coerenza di 100 microsecondi, rispetto ai soli 20 microsecondi del Sycamore del 2019.

Questo è un dato importante, poiché il miglioramento dello stato di coerenza, che porta direttamente a computer quantistici esponenzialmente più affidabili, può essere visto come l’attuale versione quantistica della legge di Moore, che ha guidato il costante miglioramento dei computer “normali”.

Essendo il primo sistema al di sotto di questa soglia, è il prototipo più convincente di un qubit logico scalabile costruito fino ad oggi. È un segnale forte che computer quantistici molto grandi e utili possano davvero essere costruiti. Willow ci avvicina all’esecuzione di algoritmi pratici e commercialmente rilevanti che non possono essere replicati sui computer convenzionali.

Google Quantum Computing Department

Tutto ciò è stato possibile grazie all’investimento a lungo termine di Google nella sua struttura di produzione di chip quantistici superconduttori.

Da qubit fisico a qubit logico

Per qualsiasi calcolo utile, il calcolo quantistico deve utilizzare qubit logici, ovvero l’unità di calcolo reale prodotta dal chip fisico.

Con il tasso di errore di Willow, ci si aspetta che ogni qubit logico sia composto da circa 1.000 qubit fisici. Un ulteriore miglioramento nella correzione degli errori potrebbe ridurre questo numero a 200 qubit fisici.

Attualmente, Willow ha una capacità di 105 qubit.

Prossimi passi

Con questa svolta, la prospettiva di costruire un qubit logico stabile, affidabile e scalabile è ora a portata di mano. Soprattutto perché aggiungere qubit fisici ora riduce il tasso di errore in modo esponenziale, invece di aumentarlo esponenzialmente.

Molto probabilmente, il prossimo passo sarà costruire il successore di Willow con ancora più qubit, migliorando al contempo la tecnologia di correzione degli errori. Insieme, ciò potrebbe consentire a ciascuno dei prossimi design di chip quantistici di Google di essere sufficiente per creare un qubit logico completo.

Questo lascerà comunque un’altra sfida, ovvero collegare tra loro i qubit logici affinché possano condividere ed scambiare stati quantistici.

Solo allora potremo parlare di un vero computer quantistico che possa essere utilizzato regolarmente e, soprattutto, scalato a piacere.

Abbiamo già discusso alcune delle tecnologie e delle scoperte parallele che potrebbero potenziare le prestazioni e l’architettura del calcolo quantistico oltre il miglioramento dei qubit, ad esempio:

• Nanomechanical resonators, per misurare meglio lo stato quantistico senza destabilizzare i qubit.
• Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator, per andare oltre la sovrapposizione degli stati 0 e 1 dei qubit e sviluppare il calcolo quantistico a variabili continue (CV).
• Better superconducting materials, per migliorare la stabilità dei sistemi di calcolo quantistico.

Nel complesso, la svolta di Google è davvero rivoluzionaria e rappresenta un’evoluzione radicale delle prospettive del calcolo quantistico, con il primo obiettivo realistico per un computer commerciale scalabile.

Tuttavia, anche il responsabile del Quantum AI lab di Google, Hartmut Neven, ci ricorda che ciò non avverrà domani:

“Un chip in grado di eseguire applicazioni commerciali non apparirà prima della fine del decennio. Inizialmente, queste applicazioni saranno la simulazione di sistemi in cui gli effetti quantistici sono importanti.

Ad esempio, è rilevante per la progettazione di reattori a fusione nucleare per comprendere il funzionamento dei farmaci e lo sviluppo farmaceutico, sarebbe utile per sviluppare batterie per auto migliori e un’altra lunga lista di compiti simili.”

Applicazioni

Il potenziale del calcolo quantistico è enorme e potrebbe rivoluzionare praticamente ogni campo scientifico. Alcune applicazioni si distinguono per il loro impatto particolarmente significativo:

• Modellazione biochimica: dalla determinazione della forma 3D di una proteina all’espressione genica, il calcolo di molecole biologiche complesse fino agli atomi potrebbe rivoluzionare la ricerca biotecnologica.
• Modellazione climatica: i modelli climatici sono estremamente complessi e spingono al limite le capacità dei supercomputer attuali. Una migliore comprensione del clima, con una scala di calcolo più fine sia geograficamente che temporalmente, potrebbe aiutare a comprendere i rischi del cambiamento climatico.
• Semiconduttori: i computer quantistici potrebbero essere usati per rendere i chip dei computer tradizionali molto più potenti. Con i chip “normali” che ora raggiungono la scala nanometrica, i fenomeni quantistici diventano sempre più problematici, e i computer quantistici potrebbero essere necessari per risolverli.
• Scienza dei materiali: comprendere meglio la fisica quantistica e la reazione dei materiali fino ai singoli atomi può aprire nuove progettazioni per materiali usati nell’aerospazio, nelle batterie, nella stampa 3D, nella produzione, ecc.
• Crittografia: i computer quantistici potrebbero potenzialmente rendere obsoleti tutti i metodi di crittografia attuali. Questo è una preoccupazione seria per i sistemi militari, finanziari e IT. Ma allo stesso tempo, potrebbe rendere la crittografia ancora più sicura.

Rischi

Poiché il calcolo quantistico è così potente, esiste anche un grave rischio di uso improprio. Il più grande è quello relativo alla crittografia.

Dall’annuncio di Google su Willow, diversi commentatori hanno discusso di come la possibilità di violare tutta la crittografia esistente sarebbe devastante per le criptovalute come Bitcoin.

In teoria, è vero. Ma è un commento piuttosto miope, più guidato da una reazione al recente rally di Bitcoin che da una visione d’insieme. Violare la crittografia di computer e sistemi digitali comprometterebbe allo stesso modo la sicurezza e l’affidabilità dell’intero sistema bancario e finanziario, non solo le criptovalute.

Sarebbe anche devastante per la stabilità geopolitica globale e la sicurezza militare, poiché tutto, dalle comunicazioni ai codici di lancio nucleare, dipende da una crittografia sicura. Una crittografia completamente compromessa potrebbe permettere a potenze straniere o attori maligni di gettare in completo caos tali apparati di sicurezza.

Ciò non significa che non esistano soluzioni. Ad esempio, Apple (AAPL ) ha annunciato nel febbraio 2024 che la crittografia che protegge le chat di iMessage sarà resa “quantum proof” per impedirne la lettura da parte di potenti futuri computer quantistici. Possiamo presumere che se Apple passa a una crittografia quantum‑proof, lo stesso potrà fare anche le più grandi forze militari e istituzioni finanziarie.

Uniti a una tempistica di diversi anni anche per un leader come Google per avere un computer quantistico commerciale, siamo lontani da un rischio catastrofico e imminente.

Azienda di calcolo quantistico

Come hai visto, Google è molto attiva nel calcolo quantistico, soprattutto attraverso il suo Google Quantum AI lab e il campus Quantum AI a Santa Barbara.

Il computer quantistico di Google ha fatto la storia nel 2019 quando Google ha affermato di aver raggiunto la “supremazia quantistica” con la sua macchina Sycamore, eseguendo un calcolo in 200 secondi che avrebbe richiesto a un supercomputer convenzionale 10.000 anni.

Questo, naturalmente, è ora oscurato dalle prestazioni di Willow.

Ma forse il più grande contributo di Google sarà nel software, un’attività in cui ha un impressionante curriculum, in realtà migliore rispetto all’hardware (ricerca, G Suite, Android, ecc.).

Già, il Quantum AI di Google rende disponibile una suite di software progettata per assistere gli scienziati nello sviluppo di algoritmi quantistici.

Promuove apertamente “ricercatori, ingegneri e sviluppatori a unirsi a noi in questo percorso consultando il nostro software open source e le risorse educative, incluso il nostro nuovo corso su Coursera, dove gli sviluppatori possono apprendere le basi della correzione degli errori quantistici e aiutarci a creare algoritmi che possano risolvere i problemi del futuro.”

Grazie a questo approccio aperto e ora anche leader nell’hardware, oltre alle sue soluzioni cloud, Google potrebbe essere una delle aziende che stabiliscono gli standard del software di calcolo quantistico e della programmazione quantistica, concedendole un ruolo privilegiato nel dirigere l’evoluzione futura del settore.

Nel frattempo, le soluzioni di IA, incluso il veicolo a guida autonoma di Waymo, potrebbero diventare il nuovo motore di fatturato per Alphabet (GOOG ), che mantiene ancora una posizione massimamente dominante nei settori della ricerca e della pubblicità.