quantum computing

Cos'è la supremazia quantistica e perché è importante

La Cina verso la supremazia quantistica e sfida Google: il computer quantistico cinese Jiuzhang completa un calcolo che richiederebbe 2,5 miliardi di anni in appena pochi minuti
Cos'è la supremazia quantistica e perché è importante FASTWEB S.p.A.

La corsa alla supremazia quantistica non si ferma. I ricercatori creano computer quantistici sempre più potenti e veloci in grado di eseguire calcoli fino ad oggi ritenuti impossibili coi computer tradizionali. Queste macchine basate sul calcolo quantistico possono così eseguire in appena pochi minuti le elaborazioni che a un normale computer richiederebbero miliardi di anni. Il nuovo record è stato raggiunto dai ricercatori in Cina, i quali, con il supercomputer Jiuzhang, hanno completato in appena 200 secondi un calcolo che avrebbe richiesto ai migliori computer non-quantistici attualmente disponibili circa 2.5 miliardi di anni.

La Cina si aggiudica così la supremazia quantistica nel 2020, battendo il precedente record registrato da Google nel 2019, il cui supercomputer Sycamore a 53 qubit ha svolto un calcolo che avrebbe richiesto 10mila anni di computazione "ordinaria" in appena 3 minuti e 20 secondi. Google riuscì così a conquistare la supremazia quantistica, battendo a sua volta il precedente risultato raggiunto dal supercomputer di IBM, che non lasciò volentieri ai ricercatori di Mountain View il primato.

Cosa sono i computer quantistici e la supremazia quantistica

qubit

I computer tradizionali elaborano i dati basandosi sul sistema dei bit binari, dove l'informazione è conservata sotto forma di un codice binario a due valori: 0 e 1. Nel caso dei computer quantistici, invece, l'elaborazione dati si basa sui bit quantistici o qubit, cioè lo stato quantistico in cui si trova una particella subnucleare o un atomo. Il qubit è caratterizzato dalla possibilità di sovrapposizione di più stati, poiché segue le leggi della meccanica quantistica, e questo può aumentare esponenzialmente la velocità e la potenza di calcolo. I computer quantistici, rispetto ai tradizionali, possono quindi esplorare contemporaneamente molte più possibilità, mentre un computer "classico" deve eseguire e valutare le opzioni una dopo l'altra, in successione.

I ricercatori lavorano incessantemente per migliorare i supercomputer e i computer quantistici: quando i computer quantistici riescono a completare un calcolo che un computer tradizionale non sarebbe in grado di eseguire, ad esempio perché richiederebbe migliaia, milioni o addirittura miliardi di anni di esecuzione, allora si parla di supremazia quantistica. E i ricercatori, anno dopo anno, tentano di fare nuovi progressi e aggiudicarsela creando computer quantistici che riescono ad eseguire calcoli sempre più complessi e "impossibili" per un computer basato sui bit.

Supremazia quantistica: il record di Google

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Dopo 13 anni di lavoro ai computer quantistici con il progetto Sycamore, i ricercatori del Google Quantum AI Lab nell'ottobre 2019 riuscirono a raggiungere la supremazia quantistica. Il computer quantistico realizzato dai ricercatori con il processore Sycamore a 53 qubit eseguì in appena 3 minuti e 20 secondi un calcolo che al supercomputer più potente al mondo, il Summit di IBM, avrebbe richiesto almeno 10.000 anni.

Il primato raggiunto da Google fu contestato da IBM, che rispose duramente all'annuncio della supremazia quantistica accusando Google di aver sbagliato i conteggi e che il supercomputer Summit avrebbe eseguito il calcolo in 2 giorni e mezzo, non 10.000 anni. L'errore, secondo IBM, era nel non considerare che il supercomputer tradizionale avrebbe potuto eseguire i calcoli non solo con una enorme quantità di RAM, ma sfruttando anche lo storage su disco, ottenendo un risultato anche più accurato oltre che più veloce.

Supremazia quantistica: la Cina batte Google

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Nel 2020 però arrivano nuovi pretendenti per la supremazia quantistica: ricercatori cinesi appartenenti a diverse università e istituzioni che hanno unito le forze per realizzare il computer quantistico Jiuzhang. Al contrario del progetto Sycamore di Google, dove il processore è basato su qubit realizzati con materiali superconduttori, il computer quantistico Jiuzhang è basato su fotoni in grado di eseguire un unico tipo di operazione molto specifica: il campionamento del bosone gaussiano. Il risultato ottenuto dai ricercatori cinesi è stato pubblicato sulla rivista scientifica Science e rappresenta un passo avanti nel calcolo quantistico.

Il campionamento del bosone è un metodo per calcolare l'uscita di un circuito ottico complesso e richiede che venga realizzata una macchina in cui i fotoni inviati nel circuito parallelo, una volta all'interno, siano divisi da beam splitter, o divisori di raggio, e fatti rimbalzare su specchi. L'obiettivo è calcolare il possibile output rispetto ai fotoni di input nel labirinto di divisori di raggio e specchi, tenendo conto di tutte le possibili variabili. Si tratta quindi di un calcolo incredibilmente difficile per un computer tradizionale, ma che rappresenta un ottimo test per mettere alla prova quelli quantistici.

Jiuzhang è stato progettato e realizzato per poter gestire allo stesso tempo 100 input e 100 output utilizzando 300 divisori di raggio e 75 specchi. Lavorando su 50 fotoni, il computer è riuscito a fornire una risposta in circa 200 secondi. Un tempo rapidissimo se confrontato con quello stimato per lo stesso calcolo con Sunway TaihuLight, attualmente il quarto supercomputer più potente al mondo, che avrebbe dovuto impiegare circa 2,5 miliardi di anni per dare il medesimo risultato. Un tempo che è pari a poco più della metà dell'età del pianeta Terra che ha 4,5 miliardi di anni, e circa un quinto dell'età dell'universo, che ha 14,8 miliardi di anni.

Il risultato ottenuto consente ai ricercatori di ottenere il nuovo primato di supremazia quantistica e segna un importante passo avanti nello sviluppo dei dispositivi quantistici. Allo stesso tempo, questa tipologia di calcoli riesce a dimostrare il potenziale di questi supercomputer, ma ci vorrà ancora parecchio tempo prima che entrino a far parte della nostra quotidianità e vadano a sostituire i tradizionali computer oggi in uso.

Il vero problema della valutazione della velocità di un computer quantistico, e quindi della stessa supremazia quantistica, è che questo tipo di elaboratori viene realizzato per eseguire uno specifico "set" di calcoli. Questi calcoli vengono portati a termine con una velocità incredibile, ma non è affatto detto che si possano ottenere le stesse prestazioni, con lo stesso computer quantistico, su un diverso "set" di istruzioni, come invece avviene per i computer tradizionali, in grado di elaborare una grande gamma di istruzioni di diversa origine e tipologia. Siamo ancora lontani, quindi, dal quantum computing universale.

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