La supremazia quantistica, termine con cui si indica la capacità di un computer quantistico di risolvere problemi inaccessibili ai sistemi classici, si è trasformata oramai da qualche anno in un terreno di confronto tecnologico e scientifico tra i principali attori operativi nel quantum computing. Google, Ibm, Microsoft, ma anche Intel e D-Wave – oltre a diverse startup specializzate – sperimentano architetture diverse, dall’approccio superconduttivo ai sistemi a ioni intrappolati, con l’obiettivo di rendere la computazione quantistica non solo possibile, ma soprattutto verificabile, stabile e utile in ambito applicativo. In questa corsa, il team Google Quantum AI annuncia un passo avanti che segna un’evoluzione rispetto alle dimostrazioni precedenti di quantum advantage, spostando l’attenzione dal mero superamento prestazionale alla riproducibilità e validazione scientifica del risultato.
Lo fa attraverso uno studio firmato da Hartmut Neven, founder e lead, e Vadim Smelyanskiy, director Quantum Pathfinding del team Google Quantum AI. Lo studio è pubblicato su Nature e descrive un nuovo algoritmo denominato Quantum Echoes, eseguito sul processore quantistico Willow, che avrebbe raggiunto per la prima volta una “verifiable quantum advantage”. L’obiettivo dichiarato è quindi dimostrare che un processore quantistico non solo può risolvere un problema più velocemente di un supercomputer classico, ma può farlo in modo che il risultato sia scientificamente controllabile e replicabile da un altro sistema quantistico della stessa classe.
Secondo i dati pubblicati da Google, il processore Willow avrebbe completato un calcolo quantistico fino a 13.000 volte più rapidamente rispetto al miglior algoritmo classico noto per la stessa operazione. Una misura che, pur non traducendosi ancora in un’applicazione commerciale, rappresenta una pietra miliare verso una computazione quantistica verificabile, considerata da molti esperti come la vera soglia che separa la dimostrazione sperimentale dal progresso industriale.
Il messaggio da cogliere di questa ricerca risiede nella misura di una grandezza chiamata Out-of-time-order correlator (Otoc), una sorta di tool nella meccanica quantistica in grado di misurare il “chaos quantistico”, una funzione che descrive come l’informazione si diffonde in un sistema quantistico complesso. Si tratta di una misura fondamentale per comprendere la causalità e la propagazione delle correlazioni in sistemi a molti corpi fortemente interagenti, tipici della meccanica quantistica. In termini operativi, l’algoritmo Quantum Echoes realizza quindi un’evoluzione “in avanti” dello stato quantistico su un array di qubit, introduce una piccola perturbazione controllata e successivamente inverte l’evoluzione per osservare l’effetto residuo della perturbazione stessa. È una sorta di “eco quantistica”, da cui deriva il nome dell’algoritmo, che rende visibile come le informazioni si disperdono e interferiscono all’interno del sistema.
L’esperimento con Willow
L’esperimento è stato condotto su un chip Willow con circa 105 qubit interconnessi, in grado di eseguire sequenze di operazioni (gate) singolo- e doppio-qubit con un livello di precisione sufficiente a garantire l’inversione coerente dell’evoluzione quantistica. Questa capacità è essenziale: l’inversione deve avvenire con errori minimi per evitare che il segnale d’eco venga distrutto dal rumore o dalla decoerenza. Il risultato è una misura numerica concreta – il valore dell’Otoc – che può essere verificata su un secondo dispositivo o ripetuta dallo stesso sistema, a differenza di precedenti esperimenti che producevano solo campioni casuali difficilmente interpretabili. Google sottolinea che questa caratteristica di verificabilità è ciò che distingue Quantum Echoes dalle dimostrazioni di “supremazia quantistica” del passato, come quella ottenuta in passato con l’algoritmo di Random Circuit Sampling. Allora, il risultato – pur impressionante – consisteva in un insieme di bit casuali generati più velocemente da un computer quantistico rispetto a un supercomputer, ma senza una grandezza fisica interpretabile. Invece, Quantum Echoes introduce un osservabile fisico, il correlatore Otoc, che può essere confrontato e validato.
Su Nature è possibile leggere in dettaglio il modo in cui l’interferenza quantistica costruttiva emerge in sistemi complessi prima che diventino completamente caotici, in modo da fornire così un terreno di prova ideale per testare il confine tra comportamento quantistico controllabile e dinamiche incontrollate. Secondo gli autori, il valore dell’esperimento non risiede solo nel superamento della velocità classica, ma soprattutto nel rilevare e misurare un fenomeno quantistico in modo oggettivo.
Un aspetto interessante riguarda l’applicazione dimostrativa dell’algoritmo in ambito chimico. In collaborazione con la University of California, Berkeley, Quantum Echoes è stato utilizzato per analizzare due molecole, rispettivamente di 15 e 28 atomi, a partire da dati di spettroscopia Nmr (risonanza magnetica nucleare). I risultati ottenuti dal processore quantistico hanno riprodotto i valori classici con elevata precisione, aggiungendo informazioni aggiuntive su correlazioni interne non visibili con le tecniche tradizionali. In questo senso, il sistema ha funzionato come una sorta di “righello molecolare quantistico”, capace di misurare distanze e interazioni che sfuggono alla risoluzione convenzionale. Dal punto di vista metodologico, l’utilizzo dei correlatori Otoc risponde all’esigenza di rendere l’esperimento scientificamente controllabile. Questi correlatori si basano su sequenze di evoluzione-inversione che permettono di osservare come una perturbazione si diffonde e interferisce nel tempo, in modo analogo a un esperimento di “spin echo” nella fisica classica, ma con un grado di complessità esponenzialmente maggiore. Il fatto che il valore finale sia riproducibile e confrontabile costituisce un progresso sostanziale nella strada verso la “quantum verifiability”.
Dal punto di vista hardware, Willow rappresenta un’evoluzione diretta dei precedenti chip della linea Sycamore. Ogni qubit è realizzato come un oscillatore superconduttivo controllato da microonde, e l’architettura sfrutta una topologia a connessioni locali (nearest-neighbour) che facilita l’implementazione di circuiti randomizzati e reversibili. Le operazioni sono eseguite in pochi nanosecondi con tassi di errore inferiori a una parte su diecimila, condizione necessaria per mantenere la coerenza quantistica durante le migliaia di gate richiesti da Quantum Echoes.
L’affidabilità del quantum computing
L’importanza del risultato, osservano i ricercatori, è duplice. Da un lato, dimostra che la fisica quantistica può essere utilizzata come risorsa di calcolo affidabile in un regime di complessità non simulabile dai supercomputer classici. Dall’altro, stabilisce un metodo sperimentale per validare i risultati attraverso l’osservazione diretta di fenomeni fisici riproducibili, condizione imprescindibile per l’ingresso dell’informatica quantistica nel dominio scientifico e industriale. L’accelerazione dichiarata – circa 13mila volte più rapida rispetto alle simulazioni classiche – deve essere letta in questo contesto. Non si tratta ancora di un’applicazione commerciale, ma di una dimostrazione ingegneristica che pone le basi per l’uso di algoritmi verificabili in settori come la chimica computazionale, la fisica dei materiali e la biologia molecolare. Google indica tra i possibili sviluppi l’analisi delle strutture elettroniche di molecole complesse, la ricostruzione di Hamiltoniane sperimentali e lo studio della dinamica caotica dei sistemi quantistici.
Sul piano strategico, Quantum Echoes si inserisce nella roadmap che ha come obiettivo la possibilità di raggiungere la correzione degli errori quantistici su larga scala, condizione necessaria per trasformare questi esperimenti in piattaforme di calcolo universali. Willow costituisce una delle tappe di questo percorso, identificato come Milestone 3, che prevede la realizzazione di sistemi corretti dagli errori e scalabili a centinaia di migliaia di qubit fisici.
Con questa dimostrazione, Google afferma di aver spostato il paradigma della ricerca quantistica: dalla corsa a mostrare un vantaggio prestazionale isolato, alla costruzione di un metodo riproducibile e verificabile per misurare l’effettiva superiorità della computazione quantistica. Un traguardo che segna il passaggio da una fase esplorativa a un livello di maturità sperimentale, e che suggerisce come il “quantum advantage” stia progressivamente assumendo un significato concreto.
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