L’azienda afferma di aver decifrato il codice della correzione degli errori e sta costruendo una macchina modulare nello stato di New York.
IBM ha annunciato oggi un piano dettagliato per la costruzione di un computer quantistico a correzione di errore con una capacità di calcolo significativamente superiore a quella delle macchine esistenti entro il 2028. Spera di rendere il computer disponibile agli utenti tramite cloud entro il 2029.
La macchina proposta, denominata Starling, consisterà in una rete di moduli, ognuno dei quali contiene una serie di chip, ospitati all’interno di un nuovo centro dati a Poughkeepsie, New York. “Abbiamo già iniziato a costruire lo spazio”, afferma Jay Gambetta, vicepresidente dell’iniziativa quantistica di IBM.
IBM sostiene che Starling rappresenterà un balzo in avanti nell’informatica quantistica. In particolare, l’azienda intende che sia la prima macchina su larga scala a implementare la correzione degli errori. Se Starling riuscirà a raggiungere questo obiettivo, IBM avrà risolto probabilmente il più grande ostacolo tecnico che il settore deve affrontare oggi per battere concorrenti come Google, Amazon Web Services e startup più piccole come QuEra, con sede a Boston, e PsiQuantum di Palo Alto, in California.
IBM, come il resto dell’industria, ha anni di lavoro da fare. Ma Gambetta ritiene che l’azienda sia in vantaggio perché dispone di tutti gli elementi necessari per creare capacità di correzione degli errori in una macchina su larga scala. Ciò significa miglioramenti in tutto, dallo sviluppo degli algoritmi al confezionamento dei chip. “Abbiamo decifrato il codice della correzione degli errori quantistici e ora siamo passati dalla scienza all’ingegneria”, afferma Gambetta.
La correzione degli errori in un computer quantistico è stata una sfida ingegneristica, a causa del modo unico in cui le macchine calcolano i numeri. Mentre i computer classici codificano le informazioni sotto forma di bit, ovvero 1 e 0 binari, i computer quantistici utilizzano invece i qubit, che possono rappresentare “sovrapposizioni” di entrambi i valori contemporaneamente. IBM costruisce qubit fatti di minuscoli circuiti superconduttori, mantenuti vicino allo zero assoluto, in un layout interconnesso su chip. Altre aziende hanno costruito qubit con altri materiali, tra cui atomi neutri, ioni e fotoni.
I computer quantistici a volte commettono errori, come quando l’hardware opera su un qubit ma accidentalmente altera anche un qubit vicino che non dovrebbe essere coinvolto nel calcolo. Questi errori si sommano nel tempo. Senza la correzione degli errori, i computer quantistici non possono eseguire con precisione i complessi algoritmi che dovrebbero essere la fonte del loro valore scientifico o commerciale, come le simulazioni chimiche estremamente precise per la scoperta di nuovi materiali e farmaci.
Ma la correzione degli errori richiede un notevole overhead hardware. Invece di codificare una singola unità di informazione in un singolo qubit “fisico”, gli algoritmi di correzione degli errori codificano un’unità di informazione in una costellazione di qubit fisici, denominati collettivamente “qubit logici”.
Attualmente i ricercatori di informatica quantistica sono in competizione per sviluppare il miglior schema di correzione degli errori. L’algoritmo del codice di superficie di Google, pur essendo efficace nel correggere gli errori, richiede un numero di qubit dell’ordine di 100 per memorizzare un singolo qubit logico nella memoria. Il computer quantistico Ocelot di AWS utilizza uno schema di correzione degli errori più efficiente che richiede nove qubit fisici per ogni qubit logico in memoria. (Il costo aggiuntivo è maggiore per i qubit che eseguono calcoli per l’archiviazione dei dati). L’algoritmo di correzione degli errori di IBM, noto come codice di controllo di parità a bassa densità, consentirà di utilizzare 12 qubit fisici per ogni qubit logico in memoria, un rapporto paragonabile a quello di AWS.
Una caratteristica distintiva del progetto di Starling sarà la prevista capacità di diagnosticare gli errori, nota come decodifica, in tempo reale. La decodifica consiste nel determinare se un segnale misurato dal computer quantistico corrisponde a un errore. IBM ha sviluppato un algoritmo di decodifica che può essere eseguito rapidamente da un tipo di chip convenzionale noto come FPGA. Questo lavoro rafforza la “credibilità” del metodo di correzione degli errori di IBM, afferma Neil Gillespie della startup britannica Riverlane, specializzata in informatica quantistica.
Tuttavia, altri schemi di correzione degli errori e progetti hardware non sono ancora fuori dai giochi. “Non è ancora chiaro quale sarà l’architettura vincente”, afferma Gillespie.
IBM intende che Starling sia in grado di eseguire compiti di calcolo superiori alle capacità dei computer classici. Starling avrà 200 qubit logici, costruiti con i chip dell’azienda. Dovrebbe essere in grado di eseguire 100 milioni di operazioni logiche consecutive con precisione; i computer quantistici esistenti possono farlo solo per poche migliaia.
Secondo Gambetta, il sistema dimostrerà la correzione degli errori su una scala molto più ampia rispetto a quanto fatto finora. Le precedenti dimostrazioni di correzione degli errori, come quelle effettuate da Google e Amazon, coinvolgono un singolo qubit logico, costruito da un singolo chip. Gambetta li definisce “esperimenti gadget”, dicendo che “sono su piccola scala”.
Tuttavia, non è chiaro se Starling sarà in grado di risolvere problemi pratici. Alcuni esperti ritengono che sia necessario un miliardo di operazioni logiche corrette da errori per eseguire qualsiasi algoritmo utile. Starling rappresenta “un interessante passo avanti”, afferma Wolfgang Pfaff, fisico dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign. “Ma è improbabile che possa generare valore economico”. (Pfaff, che studia l’hardware per il calcolo quantistico, ha ricevuto finanziamenti per la ricerca da IBM ma non è coinvolto in Starling).
Secondo Pfaff, la tempistica di Starling sembra fattibile. Il progetto è “basato sulla realtà sperimentale e ingegneristica”, afferma. “Hanno proposto qualcosa che sembra piuttosto convincente”. Ma costruire un computer quantistico è difficile ed è possibile che IBM incontri dei ritardi dovuti a complicazioni tecniche impreviste. “È la prima volta che qualcuno fa una cosa del genere”, ha detto a proposito della realizzazione di un computer quantistico a correzione di errore su larga scala.
La tabella di marcia di IBM prevede la costruzione di macchine più piccole prima di Starling. Quest’anno intende dimostrare che le informazioni corrette da errori possono essere memorizzate in modo robusto in un chip chiamato Loon. L’anno prossimo l’azienda costruirà Kookaburra, un modulo in grado di memorizzare informazioni ed eseguire calcoli. Entro la fine del 2027, l’azienda prevede di collegare due moduli del tipo Kookaburra in un computer quantistico più grande, Cockatoo. Dopo aver dimostrato il successo di questo progetto, il passo successivo sarà quello di scalare e collegare circa 100 moduli per creare Starling.
Questa strategia, spiega Pfaff, riflette il recente approccio dell’industria alla “modularità” quando si tratta di scalare i computer quantistici: collegare più moduli tra loro per creare un computer quantistico più grande piuttosto che disporre i qubit su un singolo chip, come facevano i ricercatori nei progetti precedenti.
IBM guarda anche oltre il 2029. Dopo Starling, ha in programma di costruirne un altro, Blue Jay. (“Mi piacciono gli uccelli”, dice Gambetta). Blue Jay conterrà 2000 qubit logici e dovrebbe essere in grado di eseguire un miliardo di operazioni logiche.
Immagine di copertina: una rappresentazione di Starling, un computer quantistico su larga scala tollerante ai guasti che IBM intende costruire entro il 2028. IBM
