Ecco cosa significa e cosa non significa la supremazia quantistica per l'informatica

Un computer quantistico di Google Google

Secondo quanto riferito, Google ha dimostrato per la prima volta che un computer quantistico è in grado di eseguire un compito al di là della portata anche del più potente supercomputer convenzionale in qualsiasi lasso di tempo pratico, una pietra miliare nota nel mondo dell'informatica come supremazia quantistica. ( Aggiornare : Ha confermato la notizia il 23 ottobre.)

Il termine dal suono minaccioso, coniato dal fisico teorico John Preskill nel 2012, evoca un'immagine di macchine simili a Darth Vader che dominano altri computer. E la notizia ha già prodotto alcuni titoli stravaganti, come uno sul sito Web di Infowars che urlava 'Quantum Supremacy' di Google per rendere infrangibili tutte le crittografie e i segreti militari. Anche le figure politiche sono state coinvolte nell'isteria: Andrew Yang, un candidato alla presidenza, ha twittato che il raggiungimento del quantum computing da parte di Google è un grosso problema. Significa, tra le altre cose, che nessun codice è decifrabile.

Senza senso. Non significa affatto questo. Il risultato di Google è significativo, ma i computer quantistici non si sono improvvisamente trasformati in colossi informatici che lasceranno le macchine convenzionali nella polvere. Né distruggeranno la crittografia convenzionale nel prossimo futuro, anche se a lungo termine potrebbero rappresentare una minaccia per cui dobbiamo iniziare a prepararci per ora.

Ecco una guida a ciò che sembra aver raggiunto Google e un antidoto al clamore che circonda la supremazia quantistica.

Cosa sappiamo dell'esperimento di Google?

Non abbiamo ancora avuto conferma da Google su ciò che è stato fatto. Le informazioni sull'esperimento provengono da un documento intitolato Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor, che è stato pubblicato brevemente su un sito web della NASA prima di essere rimosso. La sua esistenza è stata rivelata in un rapporto del Financial Times e si può trovare una copia del giornale qui .

L'esperimento è piuttosto arcano, ma ha richiesto un grande sforzo computazionale. Il team di Google ha utilizzato un processore quantistico nome in codice Sycamore per dimostrare che le cifre prodotte da un generatore di numeri casuali erano davvero casuali. Hanno quindi calcolato quanto tempo avrebbe impiegato Summit, il supercomputer più potente del mondo, per svolgere lo stesso compito. La differenza era sorprendente: mentre la macchina quantistica l'ha ripulita in 200 secondi, i ricercatori hanno stimato che il computer classico avrebbe bisogno di 10.000 anni.

Quando il documento sarà pubblicato formalmente, altri ricercatori potrebbero iniziare a fare buchi nella metodologia, ma per ora sembra che Google abbia prima ottenuto un punteggio di calcolo dimostrando che una macchina quantistica può davvero superare anche il più potente dei supercomputer di oggi. Ora ci sono meno dubbi sul fatto che i computer quantistici possano essere il futuro del calcolo ad alte prestazioni, afferma Nick Farina, CEO della startup di hardware quantistico EeroQ.

Perché i computer quantistici sono molto più veloci di quelli classici?

In un computer classico, i bit che trasportano informazioni rappresentano sia a uno o a 0 ; ma i bit quantistici, o qubit, che assumono la forma di particelle subatomiche come fotoni ed elettroni, possono trovarsi in una sorta di combinazione di uno e 0 allo stesso tempo, uno stato noto come sovrapposizione. A differenza dei bit, i qubit possono anche influenzarsi a vicenda attraverso un fenomeno noto come entanglement, che sconcertò persino Einstein, che lo definì azione spettrale a distanza.

Grazie a queste proprietà, che sono descritte più dettagliatamente nel nostro esplicativo di calcolo quantistico, l'aggiunta di pochi qubit in più a un sistema ne aumenta esponenzialmente la potenza di elaborazione. Fondamentalmente, le macchine quantistiche possono elaborare grandi quantità di dati in parallelo, il che le aiuta a superare le macchine classiche che elaborano i dati in sequenza. Questa è la teoria. In pratica, i ricercatori hanno lavorato per anni per dimostrare in modo definitivo che un computer quantistico può fare qualcosa che anche il più capace convenzionale non può. Lo sforzo di Google è stato guidato da John Martinis, che ha svolto un lavoro pionieristico nell'uso di circuiti superconduttori per generare qubit.

Questo aumento di velocità non significa che le macchine quantistiche possono sorpassare altri computer ora?

No. Google ha scelto un compito molto ristretto. I computer quantistici hanno ancora molta strada da fare prima di poter battere quelli classici nella maggior parte delle cose, e potrebbero non arrivarci mai. Ma i ricercatori con cui ho parlato da quando il documento è apparso online affermano che l'esperimento di Google è ancora significativo perché per molto tempo ci sono stati dubbi sul fatto che le macchine quantistiche sarebbero mai state in grado di superare i computer classici in qualsiasi cosa.

Finora, i gruppi di ricerca sono stati in grado di riprodurre i risultati di macchine quantistiche con circa 40 qubit su sistemi classici. Il processore Sycamore di Google, che ha sfruttato 53 qubit per l'esperimento, suggerisce che tale emulazione ha raggiunto i suoi limiti. Stiamo entrando in un'era in cui esplorare ciò che un computer quantistico può fare ora richiederà un computer quantistico fisico... Non sarai più in grado di riprodurre in modo credibile i risultati su un emulatore convenzionale, spiega Simon Benjamin, ricercatore quantistico dell'Università di Oxford .

Andrew Yang non ha ragione sul fatto che le nostre difese crittografiche possono ora essere spazzate via?

Ancora una volta, no. Questa è un'esagerazione selvaggia. Il documento di Google chiarisce che mentre il suo team è stato in grado di mostrare la supremazia quantistica in un'attività di campionamento ristretto, siamo ancora lontani dallo sviluppo di un computer quantistico in grado di implementare l'algoritmo di Shor, che è stato sviluppato negli anni '90 per aiutare le macchine quantistiche fattori numerici enormi. I metodi di crittografia più diffusi odierni possono essere violati solo fattorizzando tali numeri, un'attività che richiederebbe alle macchine convenzionali molte migliaia di anni.

Ma questo divario quantico non dovrebbe essere motivo di compiacimento, perché cose come i registri finanziari e sanitari che verranno conservati per decenni potrebbero alla fine diventare vulnerabili agli hacker con una macchina in grado di eseguire un algoritmo di decodifica come quello di Shor. I ricercatori stanno già lavorando alacremente su nuovi metodi di crittografia che saranno in grado di resistere a tali attacchi (per maggiori dettagli, vedere la nostra spiegazione sulla crittografia post-quantistica).

Perché i computer quantistici non sono supremi come li fa suonare la supremazia quantistica?

Il motivo principale è che fanno ancora molti più errori di quelli classici. Il delicato stato quantico di Qubits dura solo frazioni di secondo e può essere facilmente interrotto anche dalla minima vibrazione o da un minuscolo cambiamento di temperatura, fenomeni noti come rumore nel linguaggio quantistico. Questo fa sì che gli errori si insinuino nei calcoli. I Qubit hanno anche una tendenza simile a Tinder a voler accoppiarsi con molti altri. Tale diafonia tra di loro può anche produrre errori.

Il documento di Google suggerisce di aver trovato un nuovo modo per ridurre il crosstalk, che potrebbe aiutare a spianare la strada a macchine più affidabili. Ma i computer quantistici di oggi assomigliano ancora ai primi supercomputer per la quantità di hardware e complessità necessaria per farli funzionare e possono affrontare solo compiti molto esoterici. Non siamo ancora nemmeno in una fase equivalente all'ENIAC, il primo computer generico di IBM, che è stato messo in funzione nel 1945.

Quindi qual è la prossima pietra miliare quantistica a cui puntare?

Superare i computer convenzionali nella risoluzione di un problema del mondo reale, un'impresa che alcuni ricercatori chiamano vantaggio quantistico. La speranza è che l'immensa potenza di elaborazione dei computer quantistici aiuterà a scoprire nuovi prodotti farmaceutici e materiali, migliorare le applicazioni di intelligenza artificiale e portare a progressi in altri campi come i servizi finanziari, dove potrebbero essere applicati a cose come la gestione del rischio.

Se i ricercatori non sono in grado di dimostrare presto un vantaggio quantistico in almeno uno di questi tipi di applicazioni, la bolla di aspettative gonfiate che sta esplodendo intorno al calcolo quantistico potrebbe scoppiare rapidamente.

Quando l'anno scorso l'ho chiesto a Martinis di Google in un'intervista per una storia, era chiaramente consapevole del rischio. Non appena arriveremo alla supremazia quantistica, mi disse, vorremo dimostrare che una macchina quantistica può fare qualcosa di veramente utile. Ora è il momento per il suo team e altri ricercatori di affrontare questa sfida urgente.

nascondere