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Un computer quantistico da record con 256 qubit

QuEra Computing, una startup lanciata da fisici di Harvard e del MIT, ha ideato un diverso approccio quantistico per affrontare compiti computazionali particolarmente impegnativi.

di Siobhan Roberts 19-11-21
Alla fine, i fisici hanno trovato l'applicazione killer per l'informatica quantistica: una GIF di Mario Bros. fatta di qubit. Questi bit quantici possono essere inseriti in un design sullo stile di Space Invaders, o Tetris, o qualsiasi altra forma geometrica si desideri. Le GIF sono state ideate da QuEra Computing, una startup di Boston, per mostrare la programmabilità del loro simulatore quantistico a 256 qubit, un computer quantistico speciale costruito per risolvere determinati tipi di problemi.

La macchina di QuEra è l'ultimo passo avanti nel tentativo di rendere il calcolo quantistico più potente e in grado di affrontare problemi pratici. Più qubit implicano che più informazioni possono essere archiviate ed elaborate e i ricercatori che sviluppano la tecnologia hanno fatto a gara per alzare continuamente l'asticella.

Nel 2019, Google ha annunciato che la sua macchina da 53 qubit aveva raggiunto la supremazia quantistica, eseguendo un'attività non gestibile da un computer convenzionale, ma IBM ha contestato l'affermazione. Lo stesso anno, IBM ha lanciato il suo computer quantistico a 53 bit. Nel 2020, IonO ha presentato un sistema a 32 qubit che l’azienda ha definito il "computer quantistico più potente del mondo". 

Questa settimana IBM ha lanciato il suo nuovo processore quantistico da 127 qubit, che il comunicato stampa ha descritto come un "piccolo miracolo del design". "La grande novità, dal mio punto di vista, è che funziona", afferma Jay Gambetta, vicepresidente dell'informatica quantistica di IBM. Ora QuEra afferma di aver realizzato un dispositivo con molti più qubit di qualsiasi concorrente.

L'obiettivo finale dell'informatica quantistica, ovviamente, non è giocare a Tetris, ma superare i computer classici nella risoluzione di problemi di interesse pratico. Gli appassionati ritengono che quando questi computer diventeranno abbastanza potenti, forse in un decennio o due, potrebbero trasformare la medicina e la finanza, le neuroscienze e l'intelligenza artificiale. Le macchine quantistiche avranno probabilmente bisogno di migliaia di qubit per gestire problemi così complessi. Il numero di qubit, tuttavia, non è l'unico fattore che conta.

QuEra sta anche promuovendo la maggiore programmabilità del suo dispositivo, in cui ogni qubit è un singolo atomo ultra freddo. Questi atomi sono disposti con precisione con una serie di laser (i fisici li chiamano pinzette ottiche). Il posizionamento dei qubit consente di programmare la macchina, sintonizzarla sul problema in esame e persino riconfigurarla in tempo reale durante il processo di calcolo. 

"Diversi problemi richiederanno che gli atomi siano posizionati in differenti configurazioni", afferma Alex Keesling, CEO di QuEra e co-inventore della tecnologia. "Una delle cose uniche della nostra macchina è che ogni volta che la facciamo funzionare, alcune volte al secondo, possiamo ridefinire completamente la geometria e la connettività dei qubit".

Il vantaggio dell'atomo

La macchina di QuEra è stata costruita a partire da tecnologie perfezionate nel corso di diversi anni, dietro la supervisione di Mikhail Lukin e Markus Greiner ad Harvard e Vladan Vuletic e Dirk Englund al MIT (tutti fanno parte del team fondatore di QuEra). Nel 2017, un modello precedente del dispositivo del gruppo di Harvard utilizzava solo 51 qubit; nel 2020, hanno offerto una dimostrazione di una macchina con 256 qubit. Entro due anni il team di QuEra prevede di raggiungere i 1.000 qubit e quindi, senza cambiare molto la piattaforma, spera di continuare a espandere il sistema oltre le centinaia di migliaia di qubit.

Mentre i sistemi di calcolo quantistico di Google e IBM utilizzano qubit superconduttori e IonQ utilizza ioni intrappolati, la piattaforma di QuEra utilizza array di atomi neutri che producono qubit con una coerenza impressionante. La macchina utilizza impulsi laser per far interagire gli atomi, eccitandoli a uno stato energetico - lo "stato di Rydberg", descritto nel 1888 dal fisico svedese Johannes Rydberg - in cui possono eseguire la logica quantistica in modo stabile e ad alta fedeltà. Questo approccio Rydberg al computer quantistico è stato portato avanti per un paio di decenni, ma per farlo funzionare in modo affidabile sono stati necessari sviluppi tecnologici nei laser e nella fotonica.

“Un entusiasmo irrazionale”

L'informatico Umesh Vazirani, direttore del Berkeley Quantum Computation Center, ricorda che quando ha appreso per la prima volta della ricerca di Lukin, è stato preso da “un entusiasmo irrazionale”. Abbiamo lavorato tanto tempo a percorsi ben sviluppati, come superconduttori e trappole ioniche. Non è giunto il momento di pensare a schemi diversi?", aveva chiesto a John Preskill, un fisico del California Institute of Technology e direttore dell'Institute for Quantum Information and Matter, che aveva risposto a Vazirani che il suo entusiasmo era giustificato.

Preskill trova le piattaforme Rydberg (non solo quelle di QuEra) interessanti perché producono qubit interagenti che sono altamente intrecciati. “Sono l’essenza della magia quantistica", afferma. "Sono entusiasta del potenziale di scoperta dimostrato su una scala di tempo relativamente breve".

Oltre a simulare e comprendere i materiali e le dinamiche quantistiche che Lukin chiama "i primi esempi di utili vantaggi quantistici che coinvolgono applicazioni scientifiche", i ricercatori stanno anche lavorando su algoritmi quantistici per risolvere problemi di ottimizzazione computazionale che sono NP completi, vale a dire i più complessi.

Uno degli investitori di QuEra è Rakuten, un’azienda giapponese di servizi Internet, e-commerce e fintech, interessata a esplorare il problema dell'ottimizzazione delle posizioni delle antenne per i servizi mobili 4G e 5G. "La tecnologia promette anche di risolvere molti problemi di ottimizzazione dall'instradamento delle consegne, al portafoglio azionario, ai motori di ricerca e alle raccomandazioni", afferma Takuya Kitagawa, chief data officer di Rakuten. "Il sogno è ambizioso".

Preskill, tuttavia, non è particolarmente ottimista sul fatto che la macchina di QuEra supererà gli algoritmi classici per i problemi di ottimizzazione. È lui che ha coniato il termine supremazia quantistica (che descrive il punto in cui i computer quantistici possono fare cose che i computer classici non possono fare) e osserva: "Non abbiamo forti argomenti teorici per sostenere che vedremo a breve vantaggi quantistici nell'ottimizzazione. Ma il settore è certamente degno di indagine».

Preskill è entusiasta del piano di QuEra per rendere la sua piattaforma ampiamente accessibile per la ricerca e lo sviluppo. “Avere una comunità più ampia di persone che giocano con le macchine”, spiega, “aiuterà a capire pregi e limiti. Si spera che i nuovi arrivati non trascorreranno il loro tempo solo giocando a Tetris e Space Invaders.

(rp)