Benvenuti nella nostra nuova rubrica “Dai quark ai buchi neri”, dove esploreremo le curiosità più interessanti dal mondo della fisica moderna (dai quark ai buchi neri), nonché delle innovazioni straordinarie nel campo della tecnologia sviluppata per capire come funziona l’Universo e il loro impatto sul nostro mondo.
Ho pensato a lungo da dove iniziare: dai buchi neri, dall’entanglement oppure dalla materia e energia oscure. Ho scelto tuttavia di iniziare da una notizia molto recente che ha a che vedere con gli ormai famosi computer quantistici, che, una volta considerati una mera speculazione teorica, stanno prendendo piede come una tecnologia possibilmente rivoluzionaria. E vorrei raccontarvi dei risultati recenti pubblicati su Nature, che dimostrano che i computer quantistici possono superare i supercomputer tradizionali riducendo l’interferenza dovuta al rumore al di sotto di una soglia critica. Il risultato è stato ottenuto utilizzando il processore Sycamore di Google, che già un po’ di tempo fa aveva annunciato clamorosamente un risultato che poi è stato ridimensionato. Vediamo dunque di che si tratta!
Vantaggio quantistico: Sycamore nel 2019, forse sì, ma… forse no
Nel 2019, il team di ricerca di Google aveva già annunciato che il loro computer quantistico, che usava il processore Sycamore a 53 qubit, aveva raggiunto il vantaggio quantistico, in quanto poteva risolvere alcuni compiti in soli 200 secondi, mentre stimavano che un supercomputer classico avrebbe impiegato per lo stesso compito circa 10.000 anni. Tuttavia, IBM aveva contestato queste affermazioni, suggerendo che la stessa operazione potesse essere eseguita in giorni e successivamente ridotta a meno di un minuto anche tramite calcoli con computer classici.
Questa competizione tra Google e IBM ha catalizzato un fervente dibattito sul futuro della computazione quantistica e sulla sua applicabilità pratica. Nonostante i progressi realizzati, grandi sfide rimangono. Gli errori, la stabilità dei qubit e il rumore ambientale sono fattori che devono essere seriamente affrontati affinché i computer quantistici possano raggiungere il loro pieno potenziale.
Ma come funziona (in breve) un computer quantistico?
A differenza dei computer classici, che utilizzano bit come unità di informazione (0 e 1), i computer quantistici impiegano i cosiddetti qubit, che possono esistere simultaneamente in più stati, grazie alla proprietà quantistica della sovrapposizione di stati (magari ne parliamo una prossima volta). Ciò significa che un qubit può essere sia 0 che 1 simultaneamente, consentendo ai computer quantistici di elaborare una quantità di informazioni esponenzialmente maggiore rispetto ai loro omologhi classici. I qubit sono fragili: la sovrapposizione quantistica è estremamente delicata, e lo stato quantistico può collassare alla minima interazione con sistemi esterni (come una molecola d’aria, ad esempio). Ed è questa la ragione per cui si usano vari sistemi per generare dei qubit, alla ricerca dei più robusti o, in alternativa, modi per correggere gli errori.
Inoltre, i qubit possono essere intrecciati (entanglement), permettendo a due o più qubit di rimanere correlati in modo tale che lo stato di uno si rifletta (vorrei dire influisca – ma non è così…) immediatamente sullo stato dell’altro, indipendentemente dalla distanza che li separa. Questo intreccio quantistico consente un’elaborazione parallela di dati e una velocità di calcolo che è praticamente inaccessibile ai computer classici.
Il funzionamento di un computer quantistico richiede una progettazione meticolosa degli algoritmi quantistici, che devono tenere conto di come i fenomeni quantistici possano influenzare i risultati finali.
Il ruolo cruciale del processore Sycamore
Nel recente studio pubblicato su Nature, il team di Google ha utilizzato il processore Sycamore per eseguire compiti di campionamento casuale di circuiti RCS (Random Circuit Sampling). Il metodo consiste nell’utilizzo di una serie di circuiti, cioè calcoli eseguiti su porte logiche quantistiche e misurazioni, selezionati casualmente per generare un certo numero di stati quantistici tra tutti quelli possibili. In pratica, il computer quantistico esegue calcoli casuali per raggiungere stati quantistici che, almeno teoricamente, sono equamente e uniformemente distribuiti tra tutti gli stati (quantistici) disponibili. Non si limitano quindi a eseguire solo i calcoli più semplici da gestire con l’hardware attuale, ma affrontano anche calcoli di maggiore complessità.
Questo approccio ha permesso di esplorare le condizioni in cui i computer quantistici possono superare i supercomputer classici. Sebbene il RCS sia considerato un algoritmo relativamente semplice, presenta sfide significative per i computer classici, specialmente all’aumentare della complessità dei compiti.
La ricerca ha messo in evidenza l’importanza della qualità dei qubit e della gestione del rumore. Gli scienziati hanno scoperto che migliorare la fedeltà dei qubit—ossia la capacità di operare senza errori—può portare a notevoli progressi nelle prestazioni quantistiche. Questo è cruciale, poiché anche piccole variazioni nella fedeltà possono influenzare drasticamente la capacità del sistema di svolgere calcoli complessi. Pertanto, l’obiettivo del team è stato quello di massimizzare le prestazioni del processore Sycamore garantendo al contempo elevati livelli di fedeltà nei qubit.
Gestire il rumore: Sycamore verso il vantaggio quantistico!
Gli studi eseguiti hanno rivelato che inizialmente, in ambienti ad alta rumorosità, i supercomputer classici potevano riprodurre i risultati ottenuti col computer quantistico. Tuttavia, il gruppo ha scoperto che abbassando il rumore sotto una soglia (critica), anche al supercomputer più veloce sarebbero, ad esempio, serviti circa dieci trilioni di anni per replicare i calcoli di Sycamore. Questo segna una svolta significativa, dimostrando che Sycamore può superare i sistemi classici in condizioni di basso rumore, raggiungendo così un vantaggio quantistico.
Gli scienziati hanno anche scoperto che lievi miglioramenti nei tassi di errore dei qubit (ebbene si, i qubit hanno degli errori) possono portare a cambiamenti sostanziali nel comportamento del sistema quantistico. Per esempio, una variazione del tasso di errore dal 99,4% al 99,7% porta a un cambiamento radicale nelle prestazioni.
Questa studio ha messo in evidenza come il miglioramento della qualità dei qubit sia fondamentale per il progresso della computazione quantistica, mostrando la via per arrivare laddove i supercomputer classici faticano a mantenere il passo con le computazioni quantistiche.
E adesso?
Questo studio ha non solo identificato una soglia di rumore critica, ma ha anche messo in evidenza l’importanza della fedeltà dei qubit per realizzare il vantaggio quantistico. Con il potenziale di Sycamore di superare i supercomputer classici, la computazione quantistica si sta preparando a riscrivere il panorama delle nuove tecnologie (quantistiche). Le implicazioni di questo progresso potrebbero essere enormi: dalle simulazioni di materiali complessi alla ricerca farmaceutica, dalla biologia ai modelli delle previsioni meteorologiche e tanto altro ancora.
L’era dei computer quantistici è solo all’inizio, e le possibilità sono molto entusiasmanti! Con l’avanzare della tecnologia, i computer quantistici non solo sfideranno i limiti dei supercomputer classici, ma apriranno anche nuove strade per affrontare alcune delle questioni più impegnative della scienza moderna e della società.
Catalina Oana Curceanu
Infn, Laboratori del Gran Sasso
Riferimento all’articolo Nature: https://www.nature.com/articles/d41586-024-03288-3
P.S.: se avete suggerimenti o argomenti che vi incuriosiscono, chiedetemi; ne terrò conto!