Cos'è la Quantum Supremacy e perchè in futuro cambierà il mondo

"Siamo ad un solo algoritmo creativo di distanza da un prezioso utilizzo nel breve periodo", così termina l'articolo in cui Google annuncia la rivoluzione.

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Google ha annunciato di aver raggiunto la "quantum supremacy". Dopo il leak dello scorso mese, la notizia è ufficiale, ed è stata presentata con un articolo su Nature e con un annuncio sul blog del colosso di Mountain View. Cosa è successo? Perché ne stanno parlando tutti? Al prossimo E3 presenteranno un processore quantistico? Andando per gradi, la risposta più semplice da dare è quella all'ultima domanda: no, non vedremo nessun processore quantistico per ancora tanti e tanti E3, probabilmente non ne vedremo mai uno presentato ad un E3, né in un qualsiasi altro evento che si occupa di elettronica di consumo, ma questo non deve essere motivo di sconforto e non rende tutto ciò insensato.

Cos'è la Quantum Supremacy?

Una domanda che si saranno posti in molti è: cosa vuol dire "Quantum Supremacy"? Cos'è? Utilizzando le parole di John Preskill, il fisico che coniò questo termine nel 2012, nel suo articolo pubblicato su Quanta Magazine in questi giorni:
"Ho proposto il termine "quantum supremacy" per descrivere il momento in cui i computer quantistici avrebbero fatto cose che i computer classici non potranno mai ripetere, a prescindere dall'utilità dell'operazione svolta."
Tenete a mente la frase "a prescindere dall'utilità dell'operazione svolta" perché è un punto tanto importante quanto controverso dell'intera questione e verrà ripreso più avanti in questo articolo.

Qualche dettaglio tecnico

In parole povere, cosa ha fatto il team di Google?Usando materiali superconduttivi in ambiente molto freddo (temperature inferiori a 20 milliKelvin, che corrispondono a circa -273 °C), ha creato un reticolo bidimensionale di 54 qubit. Ogni singolo qubit è interconnesso ai suoi quattro vicini ma tale connessione è regolabile.

Il nome di questo processore quantistico è Sycamore. L'obiettivo? "Sputar fuori" delle sequenze di bit randomiche dopo essere passati attraverso alcuni gate quantistici (le porte che svolgono le operazioni sui qbit). Tali sequenze, seppur casuali, per dimostrare l'effettivo "svolgimento quantistico" dell'operazione, dovevano scrupolosamente seguire una distribuzione di probabilità: tale distribuzione dipende dall'interferenza dei qbit tra di loro e rende alcune di queste sequenze più probabili di altre.
Ebbene, Google è riuscita a riprodurre tale distribuzione di probabilità in appena 200 secondi.
Secondo quanto dichiarato, per riprodurre la stessa operazione il più grande supercomputer attualmente esistente avrebbe impiegato 10.000 anni con un dispendio enorme in termini di memoria e energia.

Ecco dove sta la quantum supremacy definita da Preskill e raggiunta da Google: aver eseguito, senza ombra di dubbio, un algoritmo quantistico, per quanto semplice, avendo ottenuto risultati affetti da un basso livello di errore dovuto al rumore, ossia alla degradazione dello stato quantistico iniziale, in un tempo nettamente inferiore a quello necessario affinchè un computer classico esegua la stessa operazione con un grado di accuratezza uguale o maggiore.

Come può, una sequenza di numeri casuali, dimostrare senza ombra di dubbio l'avvenuta esecuzione di un algoritmo quantistico?
La distribuzione di probabilità generata dall'operazione, creata dall'interferenza dei qbit, è strettamente legata all'evoluzione quantistica di una sovrapposizione di stati, che avviene solo quando si riesce ad isolare accuratamente l'apparato in cui avviene l'operazione quantistica.
In questa situazione, i qbit si comportano come se fossero onde e interferiscono tra loro esattamente come interferirebbero due suoni prodotti da due diapason vicini.

"A prescindere dall'utilità dell'operazione svolta"

L'operazione svolta da Sycamore non ha fatto altro che confermare che la meccanica quantistica funziona come prevede la teoria. Sembrerebbe una notizia di nessuna utilità, tuttavia questa risposta non era ovvia.
La risposta di Sycamore ci assicura che non esiste alcun limite dettato dalla fisica alla costruzione di processori quantistici con un numero sempre maggiore di qbit o alla costruzione di gate quantistici sempre più raffinati che permettano di eseguire algoritmi quantistici sempre più complessi con un'accuratezza sempre maggiore, in sostanza, la quantum supremacy non è solo un sogno.

Siamo ancora lontani dal mettere a repentaglio la sicurezza della crittografia moderna riuscendo a far girare il famoso algoritmo di Shor, che sarebbe in grado di eseguire la fattorizzazione in numeri primi di numeri anche molto grandi, ma la strada inizia proprio da qui.

L'era NISQ

Siamo ufficialmente entrati nell'era NISQ, Noisy Intermediate-Scale Quantum, altro termine coniato da John Preskill.

Sappiamo che il computer quantistico può funzionare, adesso bisogna solo trovare la tecnologia migliore per farlo funzionare al meglio e con un numero sempre maggiore di qbit. Nello stesso articolo in cui Preskill introduce il termine "quantum supremacy", si chiedeva se raggiungere un tale traguardo sia stato "soltanto molto, molto difficile" oppure "assurdamente complicato" e la differenza tra i due sta nei tempi in cui sarebbe stato raggiunto tale traguardo: se entro qualche decennio o tra oltre qualche secolo.
Alla luce di quanto visto nei laboratori Google, la quantum supremacy è soltanto molto difficile - ma raggiungibile - per altri algoritmi e operazioni in qualche decennio di duro lavoro.
Sundar Pichai CEO di Google, ha paragonato tale risultato al volo di 12 secondi dei fratelli Wright.

"Il primo aereo volò per soli 12 secondi, quindi non ebbe alcuna utilità pratica. Ma ciò mostrò la possibilità che un aereo potesse volare. "

IBM vs Google

Quello di Google non è il primo calcolatore del genere a vedere la luce. IBM aveva presentato al CES di questo Gennaio IBM Q, un computer quantistico da 20 qbit collegato in rete e accessibile a chiunque tramite un servizio di cloud computing. Tuttavia, Sycamore è il primo computer quantistico a raggiungere la quantum supremacy. Anche se la stessa IBM, tramite un post nel suo blog, mette in dubbio il risultato raggiunto da Google.
Secondo IBM, infatti, per provare la supremazia, bisogna dimostrare che un computer classico non riesca ad eseguire la stessa operazione in tempi brevi usando qualunque algoritmo.

Sempre secondo l'azienda, l'operazione eseguita da Google può essere riportata su un computer classico ed eseguita in appena un giorno e mezzo, utilizzando un opportuno algoritmo.
Ma, e c'è un ma grande quanto una casa, IBM non ha mai testato quanto afferma. A queste accuse, la casa di Mountain View ha risposto affermando quanto segue:
"Accogliamo proposte per migliorare le tecniche di simulazione, ma è fondamentale testarle sui supercomputer, come abbiamo fatto noi".
In ogni caso, continua Google, aggiungendo qualche qbit all'operazione, la quantum supremacy è sicuramente e definitivamente dimostrata.

Il futuro

Altre accuse arrivate all'azienda riguardano il fatto che stia sopravvalutando il traguardo raggiunto, confondendo chi si ritrova a leggere queste notizie sensazionalistiche e si aspetta una rivoluzione quantistica a seguito della quale gli attuali PC saranno completamente soppiantati dai calcolatori quantistici.
Questo non avverrà, né adesso né tra qualche decennio.

Il computer quantistico può operare in campi in cui il computer classico riscontra dei limiti, tuttavia vale anche il viceversa.
Il primo sarà sicuramente utile nello studio di sistemi complessi, aiuterà ad analizzare il cambiamento climatico, le energie rinnovabili, le molecole più complesse e chissà quanti altri ambiti scientifici, tuttavia non vedremo un futuro in cui giocheremo su un computer quantistico o navigheremo su internet utilizzando un pronipote di Sycamore.
Non avremo ricadute sociali importanti nel breve periodo, tuttavia, riprendendo la frase di chiusura dell'articolo di Google pubblicato su Nature, nonché sottotitolo di questo articolo. "Siamo ad un solo algoritmo creativo di distanza da un prezioso utilizzo nel breve periodo".