Il criostato quantico supremo di Google, con dentro il computer quantico Sicomoro.
(Immagine: © Erik Lucero / Google)
Siamo appena entrati nell'età di supremazia quantistica, suggerisce un nuovo studio.
Per la prima volta, un computer quantistico ha risolto un problema che un computer tradizionale, a tutti gli effetti pratici, non può, i ricercatori hanno riferito oggi (23 ottobre) nella rivista Nature.
"Un calcolo che richiederebbe 10.000 anni su un supercomputer classico ha richiesto 200 secondi sul nostro computer quantistico", ha scritto il co-autore Brooks Foxen, uno studente ricercatore di fisica presso Google AI Quantum a Mountain View e l'Università della California, Santa Barbara, detto in una dichiarazione.
"È probabile che il tempo di simulazione classica, attualmente stimato in 10.000 anni, sarà ridotto da hardware e algoritmi classici migliorati, ma, poiché attualmente siamo 1,5 trilioni di volte più veloci, ci sentiamo a nostro agio nel rivendicare questo risultato", ha aggiunto Foxen.
I computer quantistici memorizzano le informazioni usando particelle subatomiche, che si comportano secondo regole molto diverse da quelle che governano il nostro macro mondo. Ad esempio, le particelle quantistiche possono esistere contemporaneamente in una "sovrapposizione" di due stati diversi e le particelle possono essere separate da anni luce e tuttavia essere "impigliati, "influendo sulle proprietà degli altri.
Questa stranezza è la chiave dell'incredibile potenziale di computazione quantistica. A causa del fenomeno della sovrapposizione, i computer quantistici possono archiviare e manipolare molte più informazioni per unità di volume rispetto ai computer tradizionali, che codificano le informazioni in modo binario usando 0 e 1. (L'unità di base delle informazioni in un sistema di calcolo quantistico, tra l'altro, è nota come qubit, che è l'abbreviazione di "bit quantico".)
Il nuovo studio ci dà un assaggio di quel potere. Il team di ricerca, guidato da Frank Arute di Google AI Quantum, ha utilizzato un computer quantistico chiamato Sycamore, che presentava 53 qubit funzionali (più uno che non funzionava correttamente).
Gli scienziati hanno impigliato quei 53 qubit in un complesso stato di sovrapposizione, quindi hanno fatto eseguire il Sicomoro in modo simile alla generazione di numeri casuali. I risultati sono stati quindi confrontati con le simulazioni eseguite sul supercomputer Summit presso il Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee.
"Summit è attualmente il supercomputer leader al mondo, in grado di eseguire circa 200 milioni di miliardi di operazioni al secondo", ha scritto William Oliver, fisico del Massachusetts Institute of Technology allegato "Notizie e opinioni" nello stesso numero di Nature.
"Comprende circa 40.000 unità di elaborazione, ognuna delle quali contiene miliardi di transistor (switch elettronici) e ha 250 milioni di gigabyte di spazio di archiviazione. Circa il 99% delle risorse di Summit è stato utilizzato per eseguire il campionamento classico", ha aggiunto Oliver, che non era coinvolto nel nuovo studio.
Come ha notato Foxen, il Sicomoro è finito in circa 3,5 minuti e il lavoro al Summit ha suggerito che anche il supercomputer tradizionale più potente avrebbe dovuto masticare il problema per circa 10.000 anni.
"Questa dimostrazione della supremazia quantistica sugli algoritmi classici leader di oggi sui supercomputer più veloci del mondo è davvero un risultato notevole e una pietra miliare per il calcolo quantico", ha aggiunto Oliver. "Suggerisce sperimentalmente che i computer quantistici rappresentano un modello di elaborazione sostanzialmente diverso da quello dei computer classici. Combatte inoltre le critiche sulla controllabilità e fattibilità del calcolo quantistico in uno spazio di calcolo straordinariamente ampio (contenente almeno i 253 stati utilizzati qui )."
(Non tutti concordano sul fatto che il nuovo documento in realtà riporta "supremazia", tuttavia. Ad esempio, i ricercatori di IBM sostengono che l'attività svolta da Sicomoro è ben alla portata di un computer classico. "Sosteniamo che una simulazione ideale della stessa attività può essere eseguito su un sistema classico in 2,5 giorni e con una fedeltà molto maggiore ", tre scienziati IBM hanno scritto in un post sul blog il 21 ottobre." Questa è in realtà una stima prudente, nel caso peggiore, e prevediamo che con ulteriori perfezionamenti il il costo classico della simulazione può essere ulteriormente ridotto. ")
Oliver ha anche sottolineato, tuttavia, che è ancora necessario svolgere un lavoro considerevole prima che i computer quantistici possano diventare una parte importante della nostra vita quotidiana. Ad esempio, ha scritto, i ricercatori dovranno sviluppare nuovi algoritmi in grado di funzionare con i processori quantistici soggetti a errori che saranno disponibili nel prossimo futuro. E, per rendere la tecnologia commercialmente valida nel lungo periodo, gli scienziati dovranno ideare protocolli robusti per correggere errori quantistici.
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Nota del redattore: questa storia è stata aggiornata il 24 ottobre per includere pensieri di scienziati IBM che non pensano che il nuovo studio dimostri la supremazia quantistica.
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