Il computer quantistico non è più fantascienza. Sistemi contenenti migliaia di qubit potrebbero arrivare entro un decennio. La battaglia la stanno giocando IBM, Google, Microsoft, Intel ma anche aziende come DWave e centri di ricerca come quelli del MIT, di Harvard o di Yale negli Stati Uniti (che si scontrano, quasi al limite di una guerra fredda politica, con i centri di Russia e Cina).

Dalla scorsa primavera la battaglia tra IBM e Google sul fronte del computer quantistico si è abbastanza inasprita. Queste le tappe degli avvenimenti principali degli ultimi mesi:

• a maggio 2017 IBM annuncia di aver realizzato un processore a 17 qubit più strettamente ingegnerizzato che potrebbe essere la base per sistemi commerciali;
• a giugno 2017 Google rilancia con un processore da 20 qubit e dice di voler raggiungere i 49 qubit entro la fine dell’anno;
• a ottobre 2017 IBM rilancia dicendo che attraverso la simulazione del funzionamento del computer quantistico (attraverso sistemi convenzionali) ci si può già spingere verso la “barriera” dei 56 qubit – simulazioni che per oggi sono confermate dal lavoro dello Swiss Federal Institute of Technology di Zurigo (che fino ad oggi ha simulato 45 qubit su un processore con 500 terabyte di memoria).

Vediamo allora quali sono le basi su cui i due colossi americano stanno cercando di conquistare la supremazia nel mercato del computer quantistico.

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IL COMPUTER QUANTISTICO DI IBM

IBM è innegabilmente una delle primissime realtà ad aver investito risorse economiche, “cervelli” e tempo alla ricerca e allo sviluppo del Quantum Computing e alla realizzazione di un computer quantistico generalista e accessibile al pubblico delle aziende. Oggi Big Blue mette in commercio sistemi da 20 qubit (IBM Q “pronti all’uso”) ma pochi giorni fa ha annunciato di essere pronta a mostrare a breve il prototipo dell’IBM Q di prossima generazione con un processore da 50 qubit.

Si tratta di un ulteriore passo avanti nell’ambito dell’evoluzione dell’hardware quantistico ma va sottolineato che IBM è impegnata sul fronte dello sviluppo dell’intero stack tecnologico di informatica quantistica, concentrando le proprie energie su sistemi, software, applicazioni nonché sulla formazione di competenze.

Tre generazioni di sviluppo, da 5 a 16, da 20 a 50 qubit

I progressi hardware più recenti sono il risultato di tre generazioni di sviluppo da quando IBM, per prima, lanciò sul mercato, nel maggio 2016, un computer quantistico funzionante online, permettendo a chiunque di accedervi liberamente. In 18 mesi IBM ha reso disponibili online sistemi da 5 e 16 qubit ad accesso pubblico attraverso la piattaforma IBM Q experience e ha sviluppato un avanzato ecosistema di calcolo quantistico pubblico.

“Nel corso del prossimo anno, scienziati e ricercatori IBM Q continueranno a lavorare al miglioramento dei dispositivi IBM agendo su diversi aspetti tra cui la qualità dei qubit, la connettività dei circuiti e il tasso di errore operativo, al fine di aumentare la profondità di esecuzione di algoritmi quantistici. Ad esempio, in sei mesi, il team IBM è stato in grado di accrescere i tempi di coerenza del processore da 20 qubit raddoppiandoli rispetto ai sistemi da 5 e 16 qubit a disposizione dei clienti sulla IBM Q experience”, si legge in una nota rilasciata dall’azienda.

I primi sistemi IBM Q online (disponibili entro la fine di quest’anno) sono dotati di un processore da 20 qubit e presenteranno miglioramenti nella progettazione dei qubit superconduttori, nella connettività e nel packaging. I tempi di coerenza (quantità di tempo disponibile per eseguire calcoli quantistici) si attestano su un valore medio di 90 microsecondi, permettendo di eseguire operazioni quantistiche ad elevato livello di affidabilità.

La simulazione del computer a 56 qubit

IBM è intenzionata a “rompere la barriera” dei 49-50 qubit (in particolare a dare la sua risposta tecnologica alle dichiarazioni di Google che ha proclamato la “quantum supremacy” annunciando un computer quantistico a 49 qubit entro la fine dell’anno) e un team di fisici e ingegneri ha annunciato pochissimi giorni fa di aver sviluppato un algoritmo in grado di simulare un computer quantistico a 56 qubit.

L’analisi degli scienziati rientra ovviamente nell’alveo della ricerca teorica: si parla di simulazione di un processore quantistico per la quale si ricorre a sistemi computazionali tradizionali. Un aspetto non banale da prendere in seria considerazione anche dal punto di vista delle memorie necessarie a “reggere” le simulazioni. Ogni singolo qubit aggiunto al processore simulato comporta un raddoppio della memoria del processore realmente impiegato per lo studio e la simulazione.

Quello che vantano i ricercatori di IBM è una risposta anche a questo tipo di complessità: gli scienziati sostengono sia possibile simulare 56 qubit utilizzando solo 4.5 terabyte di memoria. Per riuscirci, il team di ricerca ha prima dovuto concentrare gli sforzi sullo studio di un metodo di calcolo più “efficiente”, in particolare puntando a “rompere” la simulazione in processi più piccoli, ognuno dei quali richiede quindi una capacità di memoria inferiore ai petabyte che servirebbero invece per il processo integrale di simulazione. 

IL COMPUTER QUANTISTICO DI GOOGLE

Era la metà di luglio di quest’anno quando, in occasione della Conferenza Internazionale sulle Tecnologie Quantistiche (ICQT) di Mosca, John Martinis, fisico pluripremiato responsabile del laboratorio di ricerca quantistica di Google, dichiarò al mondo che Big G «è vicina alla creazione di un computer che sarà in grado di dimostrare la “quantum supremacy”, la superiorità del calcolatore quantistico sui supercomputer tradizionali», lasciando implicitamente intendere che il proclama di supremazia debba essere letto anche nei confronti dell’azienda rispetto ai concorrenti.

Il nuovo chip progettato dal colosso americano sfrutta le leggi della fisica quantistica ed entro l’anno verrà realizzato un nuovo dispositivo per il calcolo computazionale basato sui quanti, in particolare su ben 49 qubit. Questo l’obiettivo dichiarato e più volte confermato dallo stesso Martinis.

Google sta di fatto conducendo esperimenti con un nuovo circuito basato su una griglia di 49 qubit lavorando in particolare al disegno architetturale del chip; gli scienziati sono convinti che la stabilità, la scalabilità e le prestazioni dei qubit dipendano dalla configurazione degli stessi all’interno della ‘griglia’ e dalla conformazione del circuito. Martinis, infatti, ha già sperimentato, sul chip a 6 qubit, un nuovo sistema di produzione del circuito, separando di fatto la griglia dei qubit dal tradizionale sistema di cablaggio che li controlla (posizionando quest’ultimo su un secondo chip poi saldato al primo).

«L’idea – spiega Martinis – è eliminare le linee di controllo supplementari necessarie in un chip più grande che in realtà possono interferire con la funzione dei qubit».

Per ora l’esperimento è dichiarato ‘sulla carta’ ed è dunque di natura ‘accademica’: ammesso che funzioni, resterà da capire come sviluppare chip scalabili e programmabili.

NOTA: per questo post non ricevo alcun compenso né da Google, Ibm, gli altri brandi citati né da agenzie di comunicazione o stampa ed editori; quanto riportato è frutto della mia elaborazione tratta da un servizio giornalistico prodotto per AI4Business (per il quale sono stata regolarmente pagata)