Basati sul quantum computing di IBM i tre casi di Algorithmiq, Qedma e Università di Chicago combinano superiorità rispetto ai computer classici e validazione dei risultati, ponendo le basi per applicazioni concrete e utilizzabili dalle aziende
Autore: Edoardo Bellocchi
Gli investimenti di IBM nel quantum computing sembrano davvero dare frutti di rilievo. Come ricordava a inizio mese il nuovo General Manager di IBM Italia Nico Losito, è da dieci anni, ovvero dal 2016 che IBM ha reso disponibile una macchina apposita in cloud, costruendo da allora circa un totale di 90 macchine, con un ecosistema che oggi conta 325 membri tra aziende, startup, grandi università, nonché una community di 245mila persone. In questo campo, anticipava Nico Losito, sono vicini grandi traguardi: “contiamo di arrivare a dimostrare scientificamente l'aver raggiunto il quantum advantage quest'anno", spiegava, riferendosi al momento in cui una macchina quantistica svolge un compito meglio di un computer tradizionale.
Detto fatto: a fine luglio Big Blue ha illustrato con dovizia di particolari tre risultati verificabili di quantum advantage, con i casi realizzati da IBM in collaborazione con Algorithmiq, Qedma e Università di Chicago: Algorithmiq ha dimostrato il quantum advantage nella simulazione di materiali eterogenei attraverso un nuovo framework che consente di garantire l’affidabilità e la verificabilità dei risultati del calcolo; Qedma ha modellato fenomeni fisici oltre le capacità dei computer classici grazie a un approccio di calcolo affidabile, ottenendo il quantum advantage nello studio dell’evoluzione del comportamento magnetico di un materiale; e infine l’Università di Chicago ha utilizzato una nuova tecnica di correzione degli errori per raggiungere il quantum advantage attraverso un calcolo affidabile e verificabile.
Queste dimostrazioni, ha sottolineato Jay Gambetta, Direttore di IBM Research e IBM Fellow, si basano e soddisfano il principio fondamentale del quantum advantage: non basta che un computer quantistico risolva problemi irraggiungibili per i sistemi classici, ma è anche necessario che la correttezza dei risultati possa essere validata con fiducia.
Particolarmente interessante per noi italiani è il caso di Algorithmiq, che ha sede centrale a Milano e attività operative in Finlandia, Regno Unito e Irlanda, e si occupa dello sviluppo di software per utilizzare il potenziale dei computer quantistici nella risoluzione di alcune delle sfide più complesse del mondo contemporaneo. Dalla medicina ai materiali avanzati, dall’intelligenza artificiale alle applicazioni industriali, l’azienda realizza soluzioni che rendono il quantum computing utilizzabile concretamente già oggi.
Nel dettaglio, Sabrina Maniscalco, CEO e co-founder di Algorithmiq, ha evidenziato che la dimostrazione riguarda la simulazione di materiali complessi e disordinati, molto più vicini alle condizioni reali rispetto ai modelli ideali tradizionalmente utilizzati nella ricerca: “riteniamo di essere a un punto di svolta per il quantum computing, visto che il risultato ottenuto ha resistito a ogni contestazione per otto mesi, introducendo anche un nuovo modo di fidarsi dei risultati quantistici anche quando nessun computer classico è in grado di verificarli”.
Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno progettato un modello di materia disordinata e lo hanno eseguito su un processore IBM Quantum Heron, trasformandolo di fatto in una piattaforma sperimentale per studiare materiali reali: il modello ha consentito di rappresentare efficacemente un materiale quantistico programmabile, le cui interazioni microscopiche possono essere regolate e riconfigurate a piacimento. Questo permette ai ricercatori di controllare il modo in cui l’informazione si propaga, si localizza o interferisce all’interno del sistema, analogamente a quanto avviene nei materiali reali.
Inoltre, il team Algorithmiq ha sviluppato un nuovo framework di riferimento per il calcolo quantistico affidabile nell’era oltre quella classica, gettando le basi per future scoperte scientifiche. Un elemento centrale della strategia è stata la manipolazione controllata del rumore e la costruzione di un modello rappresentativo delle sorgenti di errore presenti nei dispositivi. I ricercatori hanno modificato intenzionalmente il livello di rumore che influenzava i circuiti quantistici, attraverso l’iniezione controllata di errori, la modifica delle calibrazioni delle porte logiche e l’esecuzione degli esperimenti su diversi processori IBM Quantum.
I risultati hanno mostrato una notevole stabilità delle misurazioni quantistiche, fornendo ulteriori evidenze dell’affidabilità delle soluzioni ottenute. Attraverso modelli di rumore ampiamente validati, i ricercatori hanno inoltre dimostrato un percorso verso una verifica autonoma dei risultati mediante tecniche imparziali di mitigazione degli errori accompagnate da una quantificazione rigorosa dell’incertezza.
Contestualmente, Algorithmiq ha anche disponibile monoprop, una piattaforma che mette a disposizione della comunità scientifica il proprio metodo classico più avanzato per la simulazione degli stati fondamentali molecolari. Si tratta delle stesse tecniche utilizzate dall’azienda per verificare e mettere alla prova le affermazioni di quantum advantage, comprese le proprie. L’obiettivo è consentire a gruppi di ricerca, sia nel campo quantistico sia in quello classico, di sottoporre a rigorosi test futuri risultati di quantum advantage, favorendo un confronto aperto e trasparente basato sull’evidenza scientifica.
Pur precisando che non siamo ancora di fronte al traguardo finale, Sabrina Maniscalco si è detta fiduciosa che ora ci si possa concentrare sull’applicazione concreta del quantum computing in ambiti come materiali avanzati, chimica e ricerca scientifica, grazie a risultati che siano al tempo stesso superiori ai metodi classici e scientificamente verificabili.
Dal canto suo, Qedma Quantum Computing, azienda attiva nel software per la riduzione degli errori quantistici, ha presentato uno studio che dimostra come un calcolo quantistico affidabile e mitigato dagli errori sia oggi una realtà e possa essere utilizzato per esplorare la fisica dei materiali oltre le capacità delle più avanzate simulazioni classiche, incluse quelle eseguite su uno dei supercomputer più potenti al mondo.
Combinando il software avanzato di mitigazione degli errori Qesem di Qedma con i computer quantistici IBM, i ricercatori hanno osservato dinamiche quantistiche complesse e di lunga durata in sistemi fino a 74 qubit, raggiungendo un regime in cui molte delle migliori metodologie classiche attualmente disponibili non sono state in grado di fornire risposte coerenti e affidabili.
I risultati dello studio rappresentano la prima dimostrazione di quantum advantage ottenuta utilizzando hardware e software commercialmente disponibili, confermando i computer quantistici avanzati con mitigazione degli errori come strumenti scientifici affidabili per l’esplorazione di fenomeni fisici che potrebbero portare allo sviluppo di optoelettronica più efficiente e ultraveloce, superconduttori indotti dalla luce e altre applicazioni avanzate nel campo dei materiali.
Nel dettaglio, la collaborazione ha studiato le sottili dinamiche di oscillazione di un modello di Floquet Ising bidimensionale, un sistema utilizzato dai fisici per analizzare come le proprietà magnetiche di un materiale evolvano quando vengono sottoposte a impulsi periodici esterni. Comprendere se tali oscillazioni persistano anche in sistemi più grandi rappresenta da tempo una sfida aperta, poiché i regimi rilevanti superano rapidamente le capacità computazionali dei metodi classici. Grazie all’utilizzo di un computer quantistico IBM, basato sul processore IBM Quantum Heron e disponibile in cloud, insieme al software Quantum Error Suppression and Error Mitigation (Qesem) di Qedma, disponibile in cloud, il team è riuscito a caratterizzare queste dinamiche con elevata precisione.
Infine, iI ricercatori dell’Università di Chicago, nel paper “Sampling hard circuits with verifiably high fidelity” hanno mostrato come gli obiettivi del quantum advantage, ovvero eseguire calcoli al di là della portata delle principali tecniche di simulazione classica, fornendo nel contempo garanzie sull’accuratezza dei risultati ottenuti, possano essere raggiunti simultaneamente grazie a una nuova architettura di circuiti quantistici codificati, rendendo possibile una delle più grandi dimostrazioni di calcolo quantistico logico mai realizzate.
Per anni, i ricercatori hanno utilizzato un parametro di riferimento noto come Random Circuit Sampling (RCS) per verificare se i computer quantistici fossero in grado di superare le prestazioni dei sistemi classici. In termini semplici, l’RCS chiede a un computer quantistico di generare schemi talmente complessi da non poter essere riprodotti in modo efficiente da un computer tradizionale. La sfida principale è sempre stata la verifica: man mano che il problema diventa più difficile, diventa progressivamente più complesso, e infine impossibile, dimostrare che la risposta del computer quantistico sia corretta senza fare forti assunzioni sul funzionamento interno della macchina. Nel loro esperimento, i ricercatori di IBM e dell’Università di Chicago hanno affrontato questo ostacolo proponendo un’alternativa strutturata all’RCS. Il team ha dimostrato che questa nuova metodologia mantiene gli stessi criteri di complessità computazionale dell’RCS, con il vantaggio cruciale che la nuova struttura consente di rilevare gli errori durante l’esecuzione del calcolo.
In quella che è considerata una delle più ampie dimostrazioni di correzione degli errori mai realizzate, il team ha eseguito 70 qubit logici, proteggendoli dagli errori per completare 2.415 operazioni logiche a due qubit e 468 porte logiche “T”, due metriche utilizzate per misurare la complessità di un circuito quantistico.
Poiché il circuito era codificato, il calcolo logico ha raggiunto tassi di errore logico effettivi 10 volte inferiori rispetto ai tassi di errore fisici, consentendo di ottenere una fedeltà del circuito straordinariamente elevata anche con un numero così elevato di operazioni. Il team ha dimostrato che molti dei principali approcci di simulazione classica avrebbero richiesto tempi di esecuzione proibitivi, mentre il computer quantistico IBM ha completato il compito in meno di 15 minuti. La correzione degli errori e la fiducia nei risultati prodotti rappresentano tappe essenziali verso la scalabilità del calcolo quantistico, e questo lavoro segna un importante passo avanti lungo questo percorso.
Un unico obiettivo
In sede di presentazione dei risultati dei tre progetti è stato evidenziato come si tratti di lavori complementari: pur utilizzando approcci differenti, condividono infatti lo stesso obiettivo di costruire un quadro di “trusted quantum computing”, ovvero un insieme di strumenti che consenta di validare i risultati quantistici anche in ambiti dove i metodi classici falliscono. Ma soprattutto è stato sottolineato che queste tecniche resteranno fondamentali anche nell’era dei computer quantistici fault-tolerant. La correzione degli errori ridurrà infatti i problemi hardware, ma la necessità di verificare e certificare i risultati continuerà a essere centrale per applicazioni future in ambiti come scienza dei materiali, chimica, fisica e sviluppo industriale.