Un computer da 100.000 qubit entro 10 anni. È questo l’ambizioso obiettivo che si è prefissa IBM, dopo aver conquistato, lo scorso anno, il record del più grande sistema di calcolo quantistico con un processore che contiene 433 bit quantistici, o qubit, i mattoni fondamentali dell’elaborazione delle informazioni quantistiche.
IBM ha fatto l’annuncio il 22 maggio 2023 in occasione del vertice del G7 a Hiroshima, in Giappone. L’azienda collaborerà con l’Università di Tokyo e l’Università di Chicago in un’iniziativa da 100 milioni di dollari per spingere l’informatica quantistica nel regno del funzionamento su larga scala, dove la tecnologia potrebbe potenzialmente affrontare problemi urgenti che nessun supercomputer standard può risolvere.
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Supercomputing quantistico
O almeno non può risolverli da solo. L’idea è che i 100.000 qubit lavoreranno a fianco dei migliori supercomputer “classici” per raggiungere nuovi traguardi nella scoperta di farmaci, nella produzione di fertilizzanti, nelle prestazioni delle batterie e in una serie di altre applicazioni. “Io lo chiamo supercomputing quantistico”, ha dichiarato Jay Gambetta, vicepresidente del settore quantistico di IBM, in un’intervista la scorsa settimana.
L’informatica quantistica contiene ed elabora le informazioni in un modo da sfruttare le proprietà uniche delle particelle fondamentali: elettroni, atomi e piccole molecole possono esistere in più stati energetici contemporaneamente, un fenomeno noto come sovrapposizione, e gli stati delle particelle possono essere collegati, o entangled, l’uno con l’altro. Ciò significa che l’informazione può essere codificata e manipolata in modi nuovi, aprendo la porta a una serie di compiti di calcolo classicamente impossibili.
Ad oggi, i computer quantistici non hanno ancora ottenuto nulla di utile che i supercomputer standard non possano fare. Ciò è dovuto in gran parte al fatto che non hanno abbastanza qubit e che i sistemi sono facilmente influenzati da minuscole perturbazioni dell’ambiente che i fisici chiamano rumore.
I ricercatori hanno esplorato modi per accontentarsi di sistemi rumorosi, ma molti prevedono che i sistemi quantistici dovranno scalare in modo significativo per essere veramente utili, in modo da poter dedicare una grande frazione dei loro qubit alla correzione degli errori indotti dal rumore.
Anche Google nella corsa al supercomputer quantistico
IBM non è la prima a puntare in alto. Google ha dichiarato di voler raggiungere un milione di qubit entro la fine del decennio, anche se la correzione degli errori significa che solo 10.000 saranno disponibili per i calcoli. IonQ, con sede nel Maryland, punta ad avere 1.024 “qubit logici”, ognuno dei quali sarà formato da un circuito a correzione di errore di 13 qubit fisici, per eseguire calcoli entro il 2028. Anche PsiQuantum, con sede a Palo Alto, come Google, punta a costruire un computer quantistico da un milione di qubit, ma non ha rivelato i tempi di realizzazione né i requisiti di correzione degli errori.
L’esigenza di nuovo hardware per i computer quantistici
I qubit dell’IBM sono attualmente costituiti da anelli di metallo superconduttore, che seguono le stesse regole degli atomi quando operano a temperature millikelvin, solo una minuscola frazione di grado sopra lo zero assoluto. In teoria, questi qubit possono essere utilizzati in un grande insieme. Ma secondo la tabella di marcia di IBM, i computer quantistici del tipo che sta costruendo possono scalare solo fino a 5.000 qubit con la tecnologia attuale. La maggior parte degli esperti sostiene che non sia abbastanza per produrre calcoli utili. Per creare computer quantistici potenti, gli ingegneri dovranno spingersi oltre. E questo richiederà una nuova tecnologia.
Un esempio di ciò che è necessario è un controllo dei qubit molto più efficiente dal punto di vista energetico. Attualmente, ogni qubit superconduttore dell’IBM richiede circa 65 watt per funzionare. “Se ne voglio fare 100.000, è un sacco di energia: avrò bisogno di qualcosa delle dimensioni di un edificio, di una centrale nucleare e di un miliardo di dollari per fare una macchina…”, dice Gambetta. “È ovviamente ridicolo. Per passare da 5.000 a 100.000, abbiamo chiaramente bisogno di innovazione”.
IBM ha già effettuato esperimenti di prova che dimostrano che i circuiti integrati basati sulla tecnologia “complementary metal oxide semiconductor” (CMOS) possono essere installati accanto ai qubit freddi per controllarli con poche decine di milliwatt. Al di là di questo, ammette, la tecnologia necessaria per il supercalcolo quantistico non esiste ancora: ecco perché la ricerca accademica è una parte vitale del progetto.
I qubit esisteranno su un tipo di chip modulare che sta appena iniziando a prendere forma nei laboratori IBM. La modularità, essenziale quando sarà impossibile inserire un numero sufficiente di qubit in un singolo chip, richiede interconnessioni che trasferiscano le informazioni quantistiche tra i moduli. Il “Kookaburra” di IBM, un processore multichip a 1.386 qubit con un collegamento di comunicazione quantistica, è in fase di sviluppo e dovrebbe essere rilasciato nel 2025.
Duemila articoli di ricerca su esperimenti sui computer quantistici IBM
Anche il software che gira sulle macchine quantistiche sarà di vitale importanza. “Vogliamo creare l’industria il più velocemente possibile e il modo migliore per farlo è far sviluppare l’equivalente delle nostre librerie software classiche”, dice Gambetta. È per questo che negli ultimi anni IBM si è adoperata per mettere i suoi sistemi a disposizione dei ricercatori accademici: i processori quantistici di IBM possono essere messi al lavoro tramite il cloud, utilizzando interfacce personalizzate che richiedono una comprensione minima dei tecnicismi dell’informatica quantistica. Afferma che sono stati scritti circa 2.000 articoli di ricerca su esperimenti che utilizzano i dispositivi quantistici dell’azienda: “Per me questo è un buon indice di innovazione”.
Non c’è alcuna garanzia che i 100 milioni di dollari stanziati per questo progetto siano sufficienti per raggiungere l’obiettivo dei 100.000 qubit. “C’è sicuramente un rischio”, dice Gambetta.
Ma, aggiunge, è un rischio che va corso: l’industria deve affrontare la paura del fallimento e fare dei tentativi per superare le sfide tecniche che l’informatica quantistica su larga scala deve affrontare.
