Computer quantistico Google: la sconfitta dei supercomputer

Un computer quantistico sviluppato da Google ha superato in velocità i più potenti supercomputer esistenti. Questa capacità di un computer quantistico di risolvere operazioni che anche per i più potenti supercomputer sarebbero impossibili o di esagerata durata nel tempo prende il nome di supremazia quantistica. Cerchiamo di capire cosa è stato realizzato e quanto sia effettivamente rivoluzionario.

Cosa rende un computer quantistico così speciale?

La fisica dei quanti è un ambito totalmente diverso dalla fisica di tutti i giorni. Le leggi che regolano questo mondo sono spesso poco intuitive e difficili da comprendere, ma saperle sfruttare offre incredibili possibilità. La fondamentale differenza del calcolo quantistico rispetto all’informatica classica sta nell’utilizzare come unità di informazione il q-bit (quantum bit) invece del tradizionale bit. I computer classici elaborano informazioni usando innumerevoli bit che assumono valore 1 oppure 0. Servendosi di questi due unici “segnali” i computer tradizionali riescono a compiere tutte le operazioni che ad oggi sappiamo. Il q-bit è invece una versione quantistica del bit che non per forza si esprime come 0 oppure 1, ma può rimanere in uno stato di sovrapposizione (o “superposizione”) in cui è contemporaneamente sia 0 che 1. Si tratta quindi di uno strumento molto più potente del classico bit, poiché non è costretto a scegliere un valore ma può rappresentarli entrambi allo stesso tempo. Inoltre lavorando con i q-bit si può sfruttare un altro fenomeno quantistico chiamato entanglement. Grazie a esso due q-bit, dopo avere interagito, mantengono un legame anche a grande distanza continuando a influenzarsi a vicenda. Ciò che accade a uno dei due ha conseguenze anche sullo stato dell’altro. Questa proprietà può essere ingegnerizzata e usata per trasmettere informazioni in modo quasi istantaneo. Le conseguenze sono enormi: teoricamente la velocità del calcolo quantistico supera esponenzialmente anche quella dei supercomputer più all’avanguardia. 

Anni di progressi

Dal primo modello di calcolatore quantistico, teorizzato dal Paul Benioff negli anni ’80, i passi avanti sono stati notevoli. Inizialmente l’idea era realizzare i q-bit usando particelle come elettroni o fotoni. Nel tempo però lo studio dei materiali superconduttori ha permesso di trovare nuove vie. Si possono ad esempio usare minuscoli anelli superconduttori a cui viene fornito un campo magnetico diretto “verso l’alto” (valore 1 del q-bit) o “verso il basso” (valore 0 del q-bit). Tuttavia, finché non viene osservato dalla macchina, il bit si trova in entrambi gli stati allo stesso tempo. Nel 2012 la società canadese D-Wave rilascia Vesuvius, il primo computer quantistico commerciale. Le dimensioni scomode e il limitato numero di q-bit implementati lo rendono però di fatto una tecnologia ancora immatura. Nel 2017 i ricercatori IBM, con un processore da 6 q-bit, riescono a raggiungere importanti risultati nella simulazione di molecole. Nel febbraio 2019 viene poi rilasciato Ibm Q System One, la versione commerciale di IBM utilizzabile in cloud. I progressi sono stati quindi importanti, ma ancora bisognava avere la prova pratica di una superiorità dei quantum computers rispetto ai supercomputer tradizionali. Allo stato dell’arte uno dei problemi principali è l’eliminazione degli errori. I q-bit sono molto sensibili ed è quindi difficile metterne insieme un gran numero per avere potenza di calcolo. Viste anche le grandi dimensioni attuali di questi dispositivi sembra essere molto improbabile che essi diventino di uso quotidiano in un prossimo futuro. In ambito scientifico, però, il discorso è ben più promettente.

Il computer quantistico di Google

Ma ecco le notizie: Google ha comunicato, il 23 ottobre 2019 tramite un articolo sulla rivista Nature, di avere di fatto raggiunto la supremazia quantistica. I ricercatori di Google Ai Quantum, utilizzando un processore quantistico a 53 bit chiamato Sycamore, sono riusciti a compiere in circa 200 secondi un’operazione che per i supercomputer più potenti avrebbe un costo temporale teorico attorno ai 10000 anni. Il compito era campionare e acquisire valori in uscita da un circuito e il computer quantistico di Google ce l’ha fatta in poco più di tre minuti. Il paragone è stato fatto con Summit, supercomputer di IBM da 200 milioni di miliardi di operazioni al secondo, che attualmente è il più potente al mondo. IBM ha precisato tuttavia che sarebbe possibile ottimizzare la memoria di Summit per eseguire il compito in circa due giorni, anziché diecimila anni. Inoltre l’accuratezza del supercomputer di IBM sarebbe maggiore rispetto a quella ottenuta dal computer quantistico di Google. Ciò non toglie però che con il metodo quantistico sia stata ottenuta una velocità incredibilmente superiore.

Dalla supremazia al vantaggio quantistico

Il risultato ottenuto dal computer quantistico di Google è sorprendente, ma forse va inteso in maniera simbolica piuttosto che come un vero e proprio traguardo raggiunto? Sundar Pichai, CEO del colosso californiano, paragona questo esperimento al primo decollo aereo ad opera dei fratelli Wright, che ebbe una travolgente portata storica. Dall’altro lato, IBM invita a mantenere i piedi per terra: i competitors di Google precisano che attualmente i computer classici sono ben lontani dall’essere rimpiazzati. Dario Gil, a capo dell’IBM Research, fa notare che quello di Google è solo un esperimento costruito ad hoc, privo di applicazioni pratiche. Esso ha dichiarato all’Agi che l’espressione “supremazia quantistica” non va interpretata come la scomparsa dei computer tradizionali, ma che le due tecnologie sono destinate piuttosto a cooperare, sfruttando i punti di forza di ciascuna. Da questo punto di vista quindi l’obiettivo non è scegliere la tecnologia più performante ma raggiungere una condizione in cui si possano utilizzare entrambi i modelli insieme, al massimo delle potenzialità di ciascuno. In conclusione l’aver dimostrato la supremazia quantistica non è un vero e proprio traguardo raggiunto, ma ci indica che siamo sulla strada giusta e che tutto ciò non è fantascienza. L’obiettivo adesso è ottenere dei computer quantistici “versatili”, in grado di risolvere altri problemi utilizzando altri algoritmi. La supremazia è stata dimostrata, ora bisogna trovare il modo di servircene. Quando ci riusciremo avremo raggiunto quello che viene chiamato vantaggio quantistico. Mai come oggi sono vive le speranze di far maturare questa tecnologia e passare dall’ambito sperimentale a quello pratico. L’avvento dei computer quantistici comporterebbe enormi novità per la medicina, lo studio del clima, la simulazione, la crittografia e moltissimi altri campi. La palla passa ora all’ingegneria: informatica, fisica ed elettronica continueranno a cooperare per raggiungere quello che, probabilmente, sarà il futuro dei computer.