I ricercatori di Google hanno dimostrato per la prima volta che un computer quantistico è in grado di svolgere un compito oltre la portata del supercomputer convenzionale più potente in qualsiasi arco di tempo, ma nel breve periodo non cambierà molto.
di Martin Giles
Il termine supremazia quantistica, coniato dal fisico teorico John Preskill nel 2012, evoca un’immagine delle macchine che circondano Darth Vader, uno dei personaggi della saga di Guerre Stellari. La notizia della scoperta ha già prodotto alcuni titoli stravaganti, come uno sul sito Web di Infowars che ha scritto:”La supremazia quantistica di Google renderà vulnerabili i segreti militari”.
Anche i personaggi politici sono stati catturati dall’isteria: Andrew Yang , un candidato alla presidenza, ha twittato che “Il fatto che Google abbia raggiunto la supremazia quantistica è un grosso problema. Significa, tra le altre cose, che tutti i codici sono attaccabili”.
Frasi in libertà. Non è assolutamente così. Il risultato di Google è significativo, ma i computer quantistici non si sono improvvisamente trasformati in colossi del calcolo che lasceranno le macchine convenzionali nella polvere.
Neanche devasteranno la crittografia convenzionale nel prossimo futuro, anche se a lungo termine potrebbero rappresentare una minaccia che va affrontata per tempo.
Cerchiamo di fare chiarezza su quanto effettivamente successo senza lasciarci condizionare dalla campagna pubblicitaria che circonda la supremazia quantistica.
Che cosa si sa dell’esperimento di Google?
Non si è avuta ancora conferma da parte di Google sui dati reali. Le informazioni sull’esperimento provengono da un documento intitolato Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, che è stato pubblicato per un breve periodo su un sito Web della NASA prima di essere rimosso. La sua esistenza è stata rivelata in un rapporto del “Financial Times”, e una copia del documento può essere trovata qui.
L’esperimento ha richiesto un grande impegno computazionale. Il team di Google ha utilizzato un processore quantistico chiamato Sycamore per dimostrare che le cifre fornite da un generatore di numeri casuali erano davvero casuali.
Hanno quindi capito quanto tempo avrebbe impiegato Summit, il supercomputer più potente del mondo, a fare lo stesso compito. La differenza è stata sorprendente: mentre la macchina quantistica la risolveva in 200 secondi, i ricercatori hanno stimato che il computer classico avrebbe avuto bisogno di 10.000 anni.
Se un documento viene ufficialmente pubblicato, altri ricercatori possono iniziare a cercare falle nella metodologia utilizzata, ma per ora sembra che Google ci si può solo limiatare a dire che Google sostiene di aver dimostrato che una macchina quantistica può davvero superare anche il più potente dei supercomputer di oggi.
“Oggi ci sono meno dubbi di ieri sul fatto che i computer quantistici possano essere il futuro dell’informatica ad alte prestazioni”, afferma Nick Farina, CEO di EeroQ, una startup di hardware quantistico.
Perché i computer quantistici sono molto più veloci di quelli classici?
In un computer classico, i bit che trasportano informazioni rappresentano un 1 o uno 0 ; ma i bit quantistici, o qubit – che assumono la forma di particelle subatomiche come fotoni ed elettroni – possono essere in una sorta di combinazione di 1 e 0 contemporaneamente, uno stato noto come “sovrapposizione”.
A differenza dei bit, i qubit possono anche influenzarsi a vicenda attraverso un fenomeno noto come “entanglement”, che ha sconcertato anche Einstein, che l’ha definita “azione spettrale a distanza”.
Grazie a queste proprietà, che sono descritte in maggior dettaglio in un articolo di inizio anno, l’aggiunta di pochi qubit a un sistema aumenta la sua potenza di elaborazione in modo esponenziale. Fondamentalmente, le macchine quantistiche possono analizzare in parallelo grandi quantità di dati, il che le aiuta a superare i computer classici che elaborano i dati in sequenza.
Questa è la teoria. In pratica, i ricercatori hanno lavorato per anni per dimostrare in modo definitivo che un computer quantistico può fare qualcosa che quello tradizionale non è in grado di fare. La ricerca di Google è stato portata avanti da John Martinis, che ha svolto un lavoro pionieristico sui circuiti superconduttori per la generazione di qubit.
Questa accelerazione significa che le macchine quantistiche offrono già prestazioni superiori agli altri computer?
No. Google ha condotto l’esperimento su un compito limitato. I computer quantistici hanno ancora molta strada da fare prima di poter ottenere risultati superiori a quelli classici nella maggior parte dlle attività, e potrebbero non arrivarci mai.
Ma i ricercatori con cui ho parlato da quando il documento è apparso online affermano che l’esperimento di Google ha un particolare valore perché per lungo tempo ci sono stati dubbi sul fatto che le macchine quantistiche sarebbero mai state in grado di superare in qualsiasi tipo di prestazione i computer classici.
Fino ad ora, i gruppi di ricerca sono stati in grado di riprodurre su computer tradizionali i risultati di macchine quantistiche con circa 40 qubit. Il processore Sycamore di Google, che ha impiegato 53 qubit per l’esperimento, indica che questa possibilità ha raggiunto i suoi limiti.
“Stiamo entrando in un’era in cui esplorare ciò che un computer quantistico può fare richiederà un computer fisico quantistico … Non si potranno più riprodurre i risultati in modo credibile su un emulatore convenzionale”, spiega Simon Benjamin, un ricercatore quantistico dell’Università di Oxford.
Andrew Yang ha ragione nel ritenere che i codici crittografici saranno spazzati via?
Anche in questo caso rispondo di no. È una forzatura. L’articolo di Google chiarisce che mentre il suo team è stato in grado di mostrare la supremazia quantistica in un compito di campionamento ristretto, siamo ancora molto lontani dallo sviluppo di un computer quantistico in grado di implementare l’algoritmo di Shor, che è stato sviluppato negli anni 1990 per aiutare le macchine quantistiche a scomporre in fattori primi numeri enormi.
I metodi di crittografia più popolari di oggi possono essere violati solo prendendo in considerazione tali numeri, un’attività che richiederebbe il lavoro di macchine convenzionali per migliaia di anni.
Ma questo gap quantistico non dovrebbe essere motivo di compiacimento, perché i documenti, per esempio finanziari e sanitari, che verranno conservati per decenni potrebbero alla fine diventare vulnerabili agli hacker con una macchina in grado di eseguire un algoritmo come quello di Shor. I ricercatori stanno lavorando con continuità per scoprire nuovi metodi di crittografia che saranno in grado di resistere a tali attacchi.
Perché i computer quantistici non hanno ancora una reale supremazia?
Il motivo principale è che fanno ancora molti più errori di quelli tradizionali. Il delicato stato quantico di qubits dura solo poche frazioni di secondo e può essere facilmente interrotto anche dalla minima vibrazione o da un piccolo cambiamento di temperatura, fenomeni noti come “rumore” nel linguaggio quantistico.
Questo fa sì che compaiano errori nei calcoli. I qubit hanno anche la tendenza a volersi “accoppiare” con molti altri e questo tipo di “dialogo incrociato” tra loro porta a sbagliare.
L’articolo di Google fa capire di aver trovato un nuovo modo di ridurre le interferenze, che potrebbe aiutare a spianare la strada a macchine più affidabili. Ma i computer quantistici di oggi assomigliano ancora ai primi supercomputer nella quantità di hardware e nella complessità necessaria per farli funzionare, e possono affrontare solo compiti molto “esoterici”.
Non siamo ancora nemmeno in una fase equivalente all’ENIAC, il primo computer general purpose di IBM, che risale al 1945.
Quindi qual è il prossimo traguardo quantistico a cui puntare?
Migliorare i computer convenzionali per risolvere un problema del mondo reale, un’impresa che alcuni ricercatori chiamano “vantaggio quantistico”. La speranza è che l’immensa potenza di elaborazione dei computer quantistici aiuterà a scoprire nuovi prodotti farmaceutici e materiali, migliorare le applicazioni di intelligenza artificiale e condurre ai progressi in altri campi come i servizi finanziari, e in particolari a settori come la gestione del rischio.
Se i ricercatori non riusciranno presto a dimostrare un vantaggio quantistico in almeno uno di questi tipi di applicazioni, la bolla di aspettative gonfiate che si è creata intorno al calcolo quantistico potrebbe rapidamente esplodere.
In un articolo di “Mit Technology Review” dello scorso anno, Martinis di Google era chiaramente consapevole del rischio. “Non appena arriveremo alla supremazia quantistica”, mi ha detto, “cercheremo di dimostrare che una macchina quantistica può fare qualcosa di veramente utile”. Ora è tempo che il suo team e altri ricercatori affrontino questa sfida.
Immagine: Computer quantistico Per gentile concessione di Google
(rp)
