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Computer quantistici: come calcolare le prestazioni?

IBM afferma di aver raggiunto un nuovo record di Quantum Volume con il suo computer da 27 qubit, ecco cosa vuol dire e come si calcola un record in questo settore
Computer quantistici: come calcolare le prestazioni? FASTWEB S.p.A.

Un "Quantum Volume" pari a 64 raggiunto con un computer quantistico da 27 qubit, contro un precedente record di 32: è questo l'ultimo traguardo di IBM, che raggiunge Honeywell nell'olimpo dei produttori col Quantum Volume più alto. La multinazionale americana dell'automazione industriale, della chimica e dell'aeronautica, però, ha raggiunto lo stesso Quantum Volume di 64 ottenuto da IBM con un computer da soli sei qubit.

Qual è, dunque, il computer quantistico più potente al mondo? Quello di IBM è più veloce di quello di Honeywell, o viceversa? Difficile rispondere, perché il "Quantum Volume" è una metrica che non descrive solo le prestazioni, ma anche l'affidabilità di un computer quantistico. La stessa IBM, infatti, specifica che il "volume quantico" pari a 64 è stato ottenuto sulla stessa macchina che precedentemente si fermava a 32, semplicemente ottimizzando il compilatore e il source software development kit (SDK) "Qiskit" già utilizzato in precedenza.

Ma non solo: il Quantum Volume stesso è una misura inventata da IBM, a ottobre 2019, e che non tutti usano per quantificare le prestazioni dei propri quantum computer. Google, che a fine 2019 ha annunciato di aver raggiunto la "supremazia quantistica" con il suo Sycamore, non usa questa metrica. Nessuno sa, in pratica, quanto Quantum Volume esprime il supercomputer quantistico di Google.

Come prendere, allora, questi dati? Ma, soprattutto, cosa è il "Quantum Volume" e a cosa serve calcolarlo?

Quantum Volume: di cosa si tratta

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Il volume quantico indica la capacità di calcolo di un quantum computer e, contemporaneamente, la sua capacità di eseguire calcoli senza errori. A differenza dell'elettronica tradizionale, infatti, quella quantistica non si basa sul concetto di bit, che può rappresentare solo 1 o 0, ma sui qubit, che possono rappresentare 1, 0 o entrambi i valori contemporaneamente (la cosiddetta superposizione). Questa caratteristica introduce un elevata probabilità di errore quando i qubit vengono letti.

Un computer quantistico molto potente ma che compie molti errori, quindi, non è affatto utile e, per questo, IBM ha introdotto il concetto di Quantum Volume: per dare una valutazione non solo quantitativa, ma anche qualitativa, alla capacità di calcolo di questi elaboratori basati sulle leggi della fisica quantistica.

Quantum Volume: come si calcola

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Tony Uttley, Presidente di Honeywell Quantum Solutions (che crede nell'efficacia della metrica del Quantum Volume) ha spiegato che per calcolare questo valore è necessario far girare 220 algoritmi sul computer da testare. IBM, invece, spiega che tramite questi algoritmi si testa la capacità di un computer quantistico di eseguire un "calcolo casuale" con due qubit che agiscono in parallelo.

Questi circuiti hanno una larghezza, che significa quanti qubit sono coinvolti, e una profondità, che significa il numero di volte per le quali il circuito può eseguire il calcolo prima che i qubit vadano in "decoerenza quantistica". Cioè prima che perdano la sincronizzazione e la coerenza, iniziando a dare risultati errati.

Il Quantum Volume, in pratica, indica la massima larghezza e profondità di calcolo di cui è capace il computer quantistico, eseguendo più volte i calcoli e incrementando ad ogni passaggio entrambi i valori finché la macchina mantiene una elevata affidabilità: se si arriva fino a sette qubit con un circuito di "profondità sette" e il test fallisce, allora il volume quantico è 2 alla sesta, cioè 64. Proprio questo è il risultato ottenuto da IBM con il suo sistema "Montreal" a 27 qubit.

Quantum Volume: è la misura giusta?

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Tra gli addetti ai lavori ci sono pareri discordanti in merito all'utilità di una misura come il Quantum Volume. Paul Smith-Goodson, analista di Moor Insights & Strategy e collaboratore di Forbes per i temi del quantum computing, ritiene che si tratti di una metrica giusta perché non dipende dall'hardware, prende in considerazione tutte le performance, compresa l'affidabilità, è facile da interpretare (più alto è il Quantum Volume e meglio è) e rende la comprensione del quantum computing e dei suoi avanzamenti alla portata delle persone comuni.

Secondo Scott Joel Aaronson, noto informatico e divulgatore scientifico americano nonché professore di Computer Science all'Università di Austin, in Texas, il Quantum Volume "non è la misura peggiore, ma ciò a cui bado di più, molto più di quella o di qualsiasi altra misura inventata, è ciò che puoi effettivamente fare con il dispositivo". Secondo Aaronson, quindi, il Quantum Volume non è una misura utile a determinare le reali prestazioni di un computer quantistico.

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