Computer quantistici: superiori un corno!

Spektrum der Wissenschaft

10/9/2022

Traduzione: tradotto automaticamente

Nel 2019, Google ha annunciato che il suo chip quantistico "Sycamore" ha risolto per la prima volta un compito più velocemente di un computer classico. I ricercatori cinesi hanno ora risolto il problema dell'assenza di quanti su un normale computer.

Nel 2019, Google ha aperto la corsa al computer quantistico. Per la prima volta, il team del Google Quantum AI Lab ha annunciato su Nature, un chip quantistico ha risolto in 200 secondi un compito di calcolo specifico che avrebbe richiesto al miglior supercomputer del mondo 10.000 anni. I giornali di tutto il mondo hanno titolato "Google si blocca sul supercomputer" e "Prova della superiorità quantistica". "Spektrum" ha anche chiesto: "Il momento Sputnik della fisica quantistica?".

Ora gli scienziati cinesi hanno fatto lo stesso calcolo in poche ore con normali processori. Un vero supercomputer, scrivono in un articolo già disponibile sul server di preprint ArXiv e ora apparso su Physical Review Letters, potrebbe addirittura risolvere il compito in pochi secondi, superando di gran lunga il chip quantistico "Sycamore" di Google. Superiorità quantistica, addio?

Le promesse della tecnologia sono inalterate

Questo nuovo algoritmo toglie almeno un po' di smalto alle affermazioni di Google, ha dichiarato a "Science" Greg Kuperberg, matematico dell'Università della California : "I ricercatori di IBM avevanoallora contestato l'affermazione che un supercomputer impiega 10.000 anni per calcolare. I colleghi non hanno utilizzato correttamente le capacità del supercomputer "Summit" degli Oak Ridge National Laboratories durante la verifica dei loro calcoli, hanno scritto. Tuttavia, gli autori dell'articolo sono anche diretti concorrenti dei dipendenti di Google.

La promessa della tecnologia, in ogni caso, continua senza sosta. Gli ecosistemi di ricerca sull'informatica quantistica stanno sorgendo in tutto il mondo. Le start-up spuntano come funghi e aziende come Google e IBM si superano a vicenda nel collegare più qubit su un chip. Solo che la soluzione a un "problema" pratico non è ancora stata trovata.

Perché il compito che Sycamore ha risolto nel 2019 è stato progettato per essere estremamente difficile per un computer convenzionale, ma il più facile possibile per un computer quantistico. In parole povere il test consisteva in un calcolo completamente inutile di numeri casuali complessi. I ricercatori di Google hanno fatto eseguire a un circuito di qubit accoppiati, l'equivalente quantomeccanico dei bit classici, molte operazioni aritmetiche scelte a caso, hanno ripetuto la sequenza milioni di volte e hanno registrato i risultati. A titolo di confronto, l'intera operazione è stata simulata su un supercomputer convenzionale.

Poiché i qubit, a differenza dei bit di un normale computer, non solo possono assumere gli stati 0 e 1, ma possono anche rimanere in una sovrapposizione di questi stati, una rappresentazione parallela di 253 stati è possibile con i 53 qubit del chip Sycamore.

Assumendo che tutti i qubit fossero inizialmente impostati a 0, i ricercatori di Google hanno fatto sputare al chip quantistico una sequenza casuale per diversi milioni di volte, facendogli eseguire ogni volta 20 operazioni di calcolo casuali. In seguito, leggono lo stato dei qubit. In parole povere, le onde quantistiche, che inizialmente rappresentano tutti i possibili risultati, si muovono avanti e indietro tra i qubit. Le interazioni tra i qubit creavano un'interferenza che amplificava alcuni risultati e ne annullava altri. Per questo motivo, alcuni risultati sono più probabili di altri. Quanto sia probabile una singola sequenza di numeri può essere detto solo dopo innumerevoli prove. Alla fine è emersa una distribuzione di probabilità caratteristica.

I computer classici che simulano il circuito devono testare minuziosamente ogni possibile sequenza di passaggi di calcolo. Con l'aumentare del numero di qubit, lo sforzo necessario per farlo diventa incommensurabile. Il limite previsto teoricamente è di circa 48 qubit. Per un computer quantistico, invece, il tempo di calcolo rimane gestibile perché - una volta eseguite le operazioni di calcolo - può produrre un singolo risultato casuale praticamente con la semplice pressione di un pulsante.

I ricercatori cinesi guidati dal fisico teorico Pan Zhang hanno rappresentato il compito del 2019 come una grande rete tridimensionale di cosiddetti tensori. Questa rete è composta da 20 strati, uno per ogni operazione di calcolo che Sycamore ha effettuato in quel momento. Ogni strato è composto da 53 punti, uno per ciascuno dei 53 qubit. L'esecuzione della simulazione si limitava quindi a moltiplicare tutti i tensori. Il calcolo ha richiesto 15 ore su 512 GPU e ha effettivamente fornito la distribuzione di probabilità prevista. Su un supercomputer, scrivono Zhang e i suoi colleghi, il calcolo richiederebbe solo poche decine di secondi - dieci miliardi di volte più velocemente di quanto il team di Google aveva stimato nel 2019. . Era prevedibile che anche la ricerca sui computer classici e la ricerca di algoritmi migliori non si sarebbero fermate. La cosa importante ora è trovare finalmente delle applicazioni pratiche per dimostrare il vantaggio quantistico. O come Dominik Hangleiter, un fisico quantistico dell'Università del Maryland, ha dichiarato a Science: "L'esperimento di Google ha fatto quello che doveva fare, ovvero dare il via a questa gara."

Chi alla fine vincerà e svilupperà un vero e proprio computer quantistico universale, d'altra parte, resta da vedere.

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