Insieme a tre diversi gruppi di ricerca, altrettante dimostrazioni di quantum advantage con i sistemi Ibm a documentare oramai l’affidabilità del vantaggio quantistico. Si tratta di esperimenti che nascono da collaborazioni distinte: con la finlandese-milanese Algorithmiq (nata a Elsinki ha scelto Milano per il suo head quarter globale), con Qedma e con l’Università di Chicago. Ma condividono la stessa tesi di fondo; non basta che un computer quantistico superi le migliori tecniche di calcolo classico, il risultato deve anche poter essere considerato affidabile.
È una precisazione meno scontata di quanto sembri. Per anni la prova del vantaggio quantistico è consistita nel confronto diretto con una simulazione classica: se il processore arrivava dove i metodi tradizionali non riuscivano ad arrivare, la superiorità era dimostrata. Il nodo si presenta quando il calcolo supera del tutto la portata classica e viene a mancare, insieme, il termine di paragone con cui verificarne la correttezza. I tre lavori affrontano questo problema da angolazioni diverse e pubblicano risultati sul Quantum Advantage Tracker, la piattaforma con cui Ibm invita la comunità scientifica a metterli alla prova.
Il nodo della verifica
“Siamo ormai pienamente entrati nell’era del quantum advantage”, spiega Jay Gambetta, direttore di Ibm Research e Ibm Fellow, voce comune nei tre annunci.
Secondo Gambetta gli esperimenti stabiliscono, con confidenza statistica, un limite inferiore sulla fedeltà con cui il calcolo è stato eseguito, e offrono a ricercatori e imprese una base su cui fondare la fiducia nei sistemi quantistici via via che questi vengono scalati.
Il criterio adottato da Ibm combina due condizioni: il calcolo quantistico deve battere le alternative classiche disponibili in velocità, costo o accuratezza, e il suo esito deve essere verificabile in modo rigoroso.
È la seconda condizione a segnare la distanza rispetto alle dimostrazioni precedenti. “La verifica rimane una delle maggiori sfide per stabilire in modo definitivo il vantaggio quantistico sperimentale”, conferma Bill Fefferman, professore associato all’Università di Chicago. Ecco allora che le tre collaborazioni provano a colmare quel vuoto lungo due strade tecniche distinte: la correzione degli errori e la loro mitigazione.
Università di Chicago, test sulla correzione degli errori
L’Università di Chicago percorre la prima, quella della correzione degli errori. Il gruppo ha codificato 70 qubit logici e li ha protetti dagli errori per completare 2.415 operazioni logiche a due qubit e 468 porte logiche “T”, due grandezze con cui si misura la complessità di un circuito.
È, secondo Ibm, una delle più ampie dimostrazioni di correzione degli errori mai realizzate. Poiché il circuito era codificato, il tasso di errore logico effettivo è risultato dieci volte inferiore a quello fisico, con una fedeltà del circuito che si è mantenuta elevata nonostante il numero di operazioni.
Il contributo teorico riguarda però il metodo di verifica. Finora il confronto tra sistemi quantistici e classici si è retto sul Random Circuit Sampling (Rcs), un test che chiede al processore di generare configurazioni troppo complesse per essere riprodotte da una macchina tradizionale, ma via via più difficili (e infine impossibili) da validare senza forti assunzioni sul funzionamento interno della macchina. Il team ha proposto un’alternativa strutturata che conserva gli stessi criteri di complessità dell’Rcs e, in più, consente di rilevare gli errori mentre il calcolo è in corso. Il processore Ibm ha chiuso il compito in meno di quindici minuti, un tempo fuori dalla portata dei principali metodi di simulazione classica. “Oltre a rafforzare la validazione sperimentale, i progressi nella verifica hanno il potenziale di sbloccare applicazioni pratiche per la prossima generazione di computer quantistici”, ha aggiunto Soumik Ghosh, dottorando nel gruppo di ricerca di Fefferman.
Qedma, la via della mitigazione nel confronto con Fugaku
La seconda strada, abbiamo visto è quella della mitigazione degli errori, e la percorrono le altre due collaborazioni di cui raccontiamo. Qedma l’ha applicata con il proprio software Qesem, eseguito sui computer quantistici Ibm basati sul processore Quantum Heron e disponibile, come l’hardware, in cloud.
Combinando i due strumenti, i ricercatori hanno osservato dinamiche quantistiche complesse e di lunga durata in sistemi fino a 74 qubit, studiando le oscillazioni di un modello di Floquet Ising bidimensionale, con cui i fisici analizzano l’evoluzione delle proprietà magnetiche di un materiale sottoposto a impulsi periodici. Il confronto con il calcolo classico è stato condotto insieme a Riken, principale istituto di ricerca multidisciplinare giapponese, e a BlueQubit. Man mano che il sistema si faceva più complesso, nessun approccio classico è riuscito a mantenere un accordo coerente alla scala raggiunta dagli esperimenti quantistici, nemmeno eseguito su Fugaku, uno dei supercomputer più potenti al mondo; i risultati quantistici, al contrario, hanno mostrato oscillazioni persistenti nel lungo periodo. La validazione è stata ripetuta anche su hardware differente, compresi i sistemi a ioni intrappolati di Quantinuum: la coerenza tra tecnologie diverse indica che il comportamento misurato deriva dalla fisica del sistema e non da errori del singolo dispositivo. Ibm e Qedma la presentano come la prima dimostrazione di quantum advantage ottenuta con hardware e software commercialmente disponibili.
Algorithmiq, l’affidabilità oltre le possibilità di riscontro classico
Algorithmiq affronta il caso più estremo, quello in cui nessuna simulazione classica offre un riscontro attendibile. Il suo modello di materia quantistica eterogenea, pensato per riprodurre le strutture irregolari di materiali reali come catalizzatori ed elettroliti per batterie, è stato eseguito su un processore Ibm Quantum Heron e, a otto mesi dalla pubblicazione sul Quantum Advantage Tracker, nessun metodo classico è ancora riuscito a riprodurne i risultati sull’intero dominio del problema. Interrogati sulle stesse grandezze fisiche, i diversi metodi classici hanno anzi prodotto previsioni in conflitto tra loro: la difficoltà non era soltanto superarli, ma capire quale di essi credere.
In assenza di una soluzione esatta, il gruppo guidato da Sergey Filippov ha spostato la verifica sul processo di calcolo. Iniettando errori in modo controllato, modificando le calibrazioni delle porte logiche ed eseguendo l’esperimento su processori diversi, i ricercatori hanno mostrato che le misurazioni restano stabili al variare del rumore. In parallelo Algorithmiq ha reso pubblico Monoprop, la piattaforma con cui condivide il proprio metodo classico più avanzato per la simulazione degli stati fondamentali molecolari: le stesse tecniche con cui l’azienda mette alla prova le rivendicazioni di quantum advantage, comprese le proprie. A dare profondità storica al risultato è Matteo Rossi, co-founder e Cto dell’azienda che richiama l’inizio del viaggio: “Questa collaborazione con Ibm realizza un’idea proposta per la prima volta da Richard Feynman nel 1982″.
Lette insieme, le tre dimostrazioni disegnano un quadro coerente. Da un lato convivono due famiglie di tecniche, la correzione degli errori sui qubit logici e la loro mitigazione sull’hardware rumoroso, che raggiungono lo stesso obiettivo di affidabilità partendo da presupposti opposti. Dall’altro tutte e tre adottano la stessa infrastruttura di verifica pubblica, il Quantum Advantage Tracker, dove i circuiti restano esposti al confronto con i migliori metodi classici. “La dimostrazione del quantum advantage è un processo continuo e non un singolo evento”, sintetizza quindi Sabrina Maniscalco, co-founder e Ceo di Algorithmiq. È in questa logica di un vantaggio da riverificare più che da proclamare una volta per tutte che Ibm colloca il proprio annuncio.
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