Tra i trend cui si guarda con attenzione per quanto riguarda il 2022 e gli anni a seguire, il quantum computing genera un alto interesse, anche in relazione al profondo cambio di paradigma nelle possibilità di calcolo correlate ed ai diversi ambiti applicativi, trasversali alle industry.
Il cambio di paradigma è dato dal fatto che l’informatica quantistica attinge alla natura quantistica fondamentale della materia a livelli subatomici. Senza entrare eccessivamente nei tecnicismi, l’unità computazionale fondamentale dell’informatica quantistica non è più il bit (che può assumere un unico stato nell’unità di tempo, acceso/spento) ma è il circuito quantistico, una disposizione di qubit in porte e misure quantistiche. E più qubit possiede un processore quantistico, più complessi e preziosi sono i “circuiti quantistici” che può eseguire. Ne abbiamo parlato nel tempo in alcuni contributi dedicati.
Tra le aziende impegnate in prima linea, Ibm investe importanti risorse da diversi anni, e ha studiato una roadmap serrata per gli sviluppi della ricerca nel comparto che negli ultimi mesi dell’anno ha portato nuovi importanti annunci.
Ibm, l’evoluzione del quantum computing
Solo per ripercorrere le tappe più recenti, nel 2019, l’azienda ha presentato Ibm Quantum System One, il primo sistema di calcolo quantistico integrato e da quel momento ha reso disponibili questi sistemi come servizi Ibm Quantum, basati su cloud, negli Stati Uniti, ma anche in Germania (per Fraunhofer-Gesellschaft, il principale istituto di ricerca scientifica tedesco), in Giappone per l’Università di Tokio e, sempre negli Usa, alla Cleveland Clinic. Nel tempo poi ha acceso un’importante partnership con l’Università Yonsei di Seul per implementare il primo sistema quantistico Ibm nel Paese. Dal punto di vista puramente tecnologico, nel 2019 ha presentato Falcon, processore da 27 qubit, seguito poi nel 2020 da Hummingbird (65 qubit).
Gli annunci più recenti riguardano invece l’arrivo del primo processore quantistico con la disponibilità di 127 qubit ed il progetto Ibm Quantum System Two come sistema quantistico di prossima generazione, in uno scenario di crescita scalabile per l’hardware quantum secondo una roadmap proiettata a consentire ai circuiti quantistici di raggiungere il Quantum Advantage (anche denominata Quantum Supremacy) ovvero il momento in cui i sistemi quantistici potranno risolvere un problema non risolvibile attraverso il computing classico.
Il passo più lungo in questo percorso di scalabilità, per la prima volta “preannunciato” nel 2020, è proprio il processore Eagle (127 bit quantistici) presentato in occasione di Quantum Summit 2021 (a novembre), l’evento dedicato alle pietre miliari dell’hardware e del software quantistico e allo sviluppo del relativo ecosistema. Con l’arrivo di Eagle, spiega l’azienda, “si avvicina il momento nello sviluppo dell’hardware in cui i circuiti quantistici non potranno essere simulati in modo affidabile dai computer attuali”, momento che rappresenterà il vero cambio di paradigma.
Per sviluppare Eagle i ricercatori Ibm si sono basati su innovazioni sperimentate nell’ambito dei processori quantistici esistenti, come un design di disposizione dei qubit ottimizzato in modo da ridurre gli errori e un’architettura per ridurre il numero di componenti necessari. In particolare, le nuove tecniche sfruttate all’interno di Eagle posizionano il cablaggio di controllo su più livelli fisici all’interno del processore mantenendo i qubit su un singolo strato, il che consente un aumento significativo del numero di qubit.
Proprio grazie a questo incremento, Eagle rende possibile esplorare problemi con più elevati livelli di complessità come l’ottimizzazione dell’apprendimento automatico o la modellazione di nuove molecole e materiali da utilizzare in settori che vanno dall’industria energetica al processo di scoperta di nuovi farmaci, alla cybersecurity. L’aspetto che distingue in modo netto Eagle dagli processori “classici” è soprattutto che con questa ultima release per la prima volta la capacità di calcolo raggiunta non sarà più “simulabile” con un computer classico, infatti il numero di bit classici necessari per rappresentare uno stato sul processore a 127 qubit supera il numero totale di atomi di cui sono composti gli oltre 7,5 miliardi di persone al mondo. Un numero, si può capire, impressionante.
Spiega così il risultato raggiunto Darío Gil, direttore di Ibm Research: “L’arrivo del processore ‘Eagle’ rappresenta un passo avanti importante verso il giorno in cui i computer quantistici potranno superare i computer classici per applicazioni utili ]…[“. L’obiettivo dell’azienda è infatti “continuare ad innovare rapidamente l’hardware quantistico e la progettazione del software”, creando modalità di esecuzione per permettere ai carichi di lavoro quantistici e classici di potenziarsi a vicenda e creare un ecosistema globale indispensabile “per la crescita di un’industria quantistica”.
Scalabilità, qualità e velocità sono i tre parametri con cui Ibm misura i progressi hardware nel calcolo quantistico. La prima misurata nel numero di qubit su un processore quantistico e determina quanto di un circuito quantistico può essere eseguito; la seconda dal Quantum Volume e descrive la precisione con cui i circuiti quantistici vengono eseguiti su un dispositivo quantistico reale, ed infine la velocità che viene misurata in Clops (Circuit Layer Operations Per Second), misura appena introdotta da Ibm che determina la possibilità di eseguire calcoli reali composti da un gran numero di circuiti quantistici.
Ibm Quantum System Two
Entro questi parametri avanza quindi lo sviluppo di processori e sistemi. Anche di Ibm Quantum System Two progettato come sistema integrato di calcolo quantistico per funzionare con i processori Ibm che verranno a 433 e 1.121 qubit, che gioca le sue carte sul concetto di modularità. L’hardware di controllo, con la crescita dei qubit all’interno dei processori, deve poter scalare, ecco che Quantum System Two include quindi l’elettronica di controllo necessaria agli utenti per manipolare i qubit, e il raffreddamento criogenico, indispensabile per mantenere i qubit a una temperatura abbastanza bassa da permettere alle loro proprietà quantistiche di manifestarsi.
Per questo il sistema includerà una nuova generazione di elettronica di controllo scalabile di qubit insieme a componenti e cablaggi criogenici a più alta densità ed introdurrà una nuova piattaforma criogenica, progettata in collaborazione con Bluefors, con un design strutturale per massimizzare lo spazio per l’hardware di supporto, richiesto dai processori più grandi. Preservando però le possibilità di accesso necessarie agli ingegneri per fare manutenzione.
Il nuovo design offre quindi la possibilità di fornire un più grande spazio di lavoro criogenico condiviso ma anche il potenziale collegamento di più processori quantistici. “Ibm Quantum System Two – spiega Jay Gambetta, Ibm fellow e VP per il quantum computing – offre uno sguardo al futuro dei data center per il calcolo quantistico, dove la modularità e la flessibilità dell’infrastruttura di sistema saranno la chiave per una continua scalabilità”. L’appuntamento con il prototipo di Ibm Quantum System Two è fissato al 2023.
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