L'informatica classica continua a dare il massimo nell'ultimo Quantum Smackdown

Di Doug Eadline

23 agosto 2023

Con l’avanzare dell’informatica quantistica, ci sono annunci periodici del raggiungimento della Supremazia Quantistica, un test in cui i computer quantistici (QC) completano alcuni algoritmi di esempio molto più velocemente dei computer classici. Una buona domanda e risposta sulla supremazia quantistica può essere trovata nel blog di Scott Aaronson.

Uno dei risultati pubblicizzati è stato nel 2019. In questo caso, un computer quantistico (il chip Sycamore da 53 qubit di Google) costruito da Google aveva funzionato in modo tale che la società affermò che ci sarebbero voluti 10.000 anni per riprodursi sull'hardware di supercalcolo dell'epoca . Il problema specifico utilizzato è stato la simulazione dell'output di una sequenza casuale di porte e qubit in un computer quantistico. Sebbene sembrino del tutto autoreferenziali, le sequenze di uno e zero sono state derivate attraverso il comportamento casuale dei qubit, ma mostrano un particolare tipo di risultato casuale che i ricercatori possono verificare.

In risposta, IBM ha pubblicato un documento in cui sostiene che i 250 petabyte di spazio di archiviazione sul supercomputer Summit di Oak Ridge potrebbero effettivamente memorizzare l'intero vettore di stato quantistico del chip Sycamore di Google. Questa configurazione consentirebbe di calcolare gli stessi risultati in circa 2,5 giorni mediante un aggiornamento a forza bruta dell'intero vettore di stato (tutti i 250 petabyte).

Tuttavia, l’aggiunta di solo una manciata di qubit aggiuntivi ristabilirebbe un vantaggio insormontabile per il controllo qualità. Se Google o qualcun altro aggiornasse da 53 a 55 qubit, ciò sarebbe sufficiente per superare la capacità di archiviazione di 250 petabyte di Summit. A 60 qubit, servirebbero 33 Summit, ma chi conta?

In questo caso, mentre il QC torna al suo angolo con le braccia alzate in segno di celebrazione, l'approccio classico si alza ed è pronto per un altro round.

In un articolo del 2021, i ricercatori hanno sottolineato che Google ha scelto un metodo molto specifico per calcolare il comportamento previsto del suo processore, ma esistono altri modi per eseguire calcoli equivalenti. Dopo la pubblicazione dei risultati, diverse opzioni classiche hanno riportato risultati con prestazioni migliori. Ad esempio, nel loro articolo, Feng Pan, Keyang Chen e Pan Zhang hanno descritto un metodo specifico che consente a un cluster basato su GPU di produrre gli stessi risultati dell'esecuzione del controllo qualità in sole 15 ore. I ricercatori hanno notato che l’esecuzione del problema utilizzando un supercomputer dotato di GPU (come Summit) avrebbe prestazioni superiori al processore quantistico Sycamore.

Nel giugno di quest’anno (2023), IBM ha pubblicato un risultato significativo del controllo qualità su Nature. Questa volta, invece di creare un tipo speciale di casualità, i ricercatori hanno utilizzato un processore IBM Eagle da 127 qubit per calcolare quello che è noto come modello di Ising che simula il comportamento di 127 particelle magnetiche di dimensioni quantistiche in un campo magnetico. Il problema in realtà ha un valore reale, tra cui il ferromagnetismo, l’antiferromagnetismo, le transizioni di fase liquido-gas e il ripiegamento delle proteine. Quando codificato in 127 qubit, presenta una supremazia quantistica di scala piuttosto che di velocità perché anche il più grande computer classico non avrà memoria sufficiente per gestire il problema.

Il team IBM ha utilizzato un approccio interessante per mitigare il rumore quantistico e produrre così un risultato più utilizzabile. I ricercatori hanno effettivamente introdotto più rumore e poi hanno registrato con precisione gli effetti su ciascuna parte dei circuiti del processore. Utilizzando questi dati, i ricercatori hanno potuto estrapolare come sarebbero stati i calcoli senza il rumore.

Il risultato dell'IBM sembrava un vero e proprio colpo allo stomaco dell'informatica classica, ma non abbastanza da causare un knock-out. Entro due settimane dall'annuncio, i ricercatori del Centro di fisica quantistica computazionale del Flatiron Institute hanno accettato la sfida. Hanno pre-pubblicato un articolo sui loro risultati e riferiscono che “Adottando un approccio di rete tensore, possiamo eseguire una simulazione classica che è significativamente più accurata dei risultati ottenuti dal dispositivo quantistico. Hanno anche menzionato che la simulazione utilizzava “modeste risorse computazionali”.

Per non essere da meno, una recente prestampa di Tomislav Begušić, Garnet Kin-Lic Chan del California Institute of Technology ha dichiarato: “Le nostre simulazioni classiche su un singolo core di un laptop sono ordini di grandezza più veloci del tempo di parete riportato del quantum simulazioni”