• Google presenta il chip quantistico Willow, che promette grandi passi in avanti
• Willow può superare le prestazioni delle precedenti generazioni di chip in una serie di benchmark
• Il chip ha un potenziale di riduzione esponenziale degli errori - una pietra miliare fondamentale

Google ha svelato un nuovo chip quantistico, Willow, capace di ridurre drasticamente gli errori, rappresentando un importante passo avanti verso il vantaggio quantistico.

Questo traguardo segna il secondo step nel percorso di Google verso lo sviluppo di un grande computer quantistico dotato di correzione degli errori.

Durante il test con il benchmark del campionamento di circuiti casuali, Willow ha completato l’operazione in soli cinque minuti. Per confronto, il supercomputer più veloce al mondo impiegherebbe un tempo astronomico di 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 anni per completare lo stesso compito.

Un piccolo passo per la computazione quantistica

Il chip è stato sviluppato nel laboratorio di Google a Santa Barbara, dove Willow ospita 105 qubit. Un qubit, equivalente quantistico del "bit" nell'informatica tradizionale, può esistere sia come 1 che come 0 allo stesso tempo, grazie alla sua capacità di trovarsi in uno stato di superposizione.

I qubit di Willow mantengono il loro stato di eccitazione, o stato "1" in binario, per circa 100 microsecondi, cinque volte più a lungo rispetto alle generazioni precedenti di chip realizzati da Google.

Nonostante i risultati impressionanti di Willow nei benchmark, questi rappresentano solo un passo lungo il cammino verso la creazione di un computer quantistico pratico con un reale vantaggio rispetto ai computer tradizionali. Attualmente, i computer quantistici possono essere più rapidi nel risolvere determinati problemi, ma l’informatica classica è più efficiente per una gamma più ampia di compiti, sia scientifici che commerciali. In un post sul blog di annuncio del lancio, Hartmut Neven, fondatore e capo di Google Quantum AI, ha dichiarato: "Abbiamo eseguito il benchmark RCS, che misura le prestazioni rispetto ai computer classici, ma non ha applicazioni pratiche note. D'altro canto, abbiamo effettuato simulazioni scientifiche su sistemi quantistici, portando a nuove scoperte scientifiche, ma ancora alla portata dei computer tradizionali".

Lisa Su, amministratore delegato di AMD, afferma che il settore HPC (High Performance Computing) debba trovare soluzioni alternative per migliorare in termini di efficienza energetica. 

Sempre secondo Su, la soluzione potrebbe essere il nucleare.

Le prestazioni delle CPU e delle GPU AMD raddoppiano in genere ogni 2,4 anni ma la loro efficienza energetica non avanza di pari passo. Alla lunga, questo divario potrebbe diventare insostenibile costringendo le aziende a valutare soluzioni energetiche non convenzionali.

Parlando alla International Solid-State Circuits Conference, la dott.ssa Lisa Su ha osservato che con l'arrivo dei Supercomputer che lavorano in scala zettaflop all'orizzonte sarà necessario trovare delle fonti di energia alternative, capaci di supportare tale potenza di calcolo.

Si passa al nucleare

In base ai trend attuali e supponendo che il progresso non rallenti, AMD ritiene che i primi HPC zettaflop potrebbero arrivare tra circa un decennio (anche se Intel ritiene sufficiente la metà del tempo).

In verità più che sapere quando arriveranno, rimane da capire quando saranno disponibili su una scala industriale ed efficienti dal punto di vista energetico.

Attualmente, si stima che un HPC capace di prestazioni misurabili in zettaflops dovrebbe utilizzare circa 500MW di energia, ovvero l'equivalente del consumo energetico prodotto da diverse migliaia di case. Per fornire tale potenza in modo costante e affidabile, attualmente, ci vorrebbe un reattore nucleare.

Sebbene nei decenni precedenti l'efficienza energetica abbia fatto grandi passi in avanti, i progressi cominciano a rallentare man mano che il margine di manovra diminuisce.

"Questo appiattimento dell'efficienza diventa la sfida più grande che dobbiamo risolvere, sia dal punto di vista della tecnologia che da quello della sostenibilità", ha dichiarato Su.

Il CEO di AMD ha spiegato che l'efficienza di calcolo dovrebbe diventare la priorità numero uno per risolvere il problema. Su sostiene che potrebbero esserci altre soluzioni, tra cui l'impiego dell'intelligenza artificiale e dell'apprendimento automatico per il calcolo ad alte prestazioni, ma per ora siamo nel campo delle ipotesi.

Lavorare per migliorare questo aspetto diventa quindi un punto centrale per AMD, ma anche per tutti gli altri produttori di chip. Qualunque sia la combinazione di metodi che AMD e altre aziende utilizzeranno per migliorare le prestazioni, è probabile che passino ancora diversi anni prima di vedere un HPC in grado di gestire carichi di lavoro calcolati in zettaflop.

Fonte: The Register

Davvero un computer quantistico ha un vantaggio evidente rispetto ai computer tradizionali? Rispondere a questa domanda non è semplicissimo, e di recente alcuni ricercatori in forza a IBM hanno pubblicato un esperimento che cerca di fare chiarezza. Il loro lavoro è apparso, con più dettagli, anche su Nature.

Come si fa a dimostrare che un qbit è "migliore" di un bit tradizionale, almeno per certi tipi di calcolo? Tanto per cominciare, cerchiamo di capire almeno a grandi linee di cosa stiamo parlando. 

La differenza è che un bit "classico" può avere valore zero oppure uno, e questi due valori sono tutto ciò che costituisce la memoria e la capacità di calcolo di un moderno computer. Un bit quantistico invece è uno stato che può assumere più valori allo stesso tempo. 

Senza scendere nei dettagli della meccanica quantistica, l'idea di fondo è che il qbit permetta di eseguire calcoli più complessi rispetto al bit elettronico. 

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Gli scienziati di IBM volevano capire "come cambia la potenza di calcolo quando un computer ha accesso a spazio di elaborazione classico rispetto allo spazio quantistico". Per farlo hanno ideato un circuito limitato, che possiamo immaginare come una singola porta logica. 

Le porte logiche sono elementi che alterano l'informazione per generare un risultato. Una porta OR per esempio, accetta in ingresso due segnali, ognuno dei quali può essere 0 oppure 1. In uscita restituisce un segnale, che a sua volta può essere 0 oppure 1, secondo una regola specifica. 

Sono alla base di tutta l'elettronica: un moderno processore contiene miliardi di transistor, e decine di miliardi di porte logiche. 

Ebbene, in teoria il computer quantistico può fare operazioni impossibili per il computer tradizionale. Era un fatto già noto, ma prima di tutto gli scienziati di IBM lo hanno dimostrato matematicamente, relativamente al loro specifico esperimento. 

Dopodiché hanno realizzato un vero computer quantistico per vedere che cosa sarebbe successo nel mondo reale. 

"La nostra dimostrazione comprende lo studio della più semplice funzione non eseguibile tramite il calcolo classico, in un modello limitato a un bit: rilevare la maggioranza in un gruppo di tre bit (vale a dire restituire zero se più di metà dei bit è zero, oppure uno se più di metà è uno). 

Dimostrazione del vantaggio

Il computer classico (che pure era stato potenziato) ha restituito il risultato corretto nell'87,5% dei casi, mentre quello quantistico nel 100% dei casi. Il che è notevole, se si considera che il calcolo quantistico, per sua natura, ha moltissimi più errori che "sporcano" il risultato. Passando a un'applicazione reale, infatti, il computer quantistico scende al 93%, che è comunque superiore al computer binario. 

"Questo risultato dimostra che un computer quantistico, con il suo rumore e con solo quattro qubit (tre qubit come input e codifica; un qubit come potenza di calcolo o scrap space) può eseguire calcoli impossibili per un computer classico perfetto. 

Per aumentare il numero di qubit, azione necessaria per aumentare la complessità dei calcoli, si rendono necessarie nuove porte logiche chiamate SWAP. Servono per gestire i qubit, ma costano molto. 

Il governo cinese ha reso pubblica l'intenzione di intensificare gli investimenti in ricerca e sviluppo, in particolare per quelle aree ritenute critiche per la "sicurezza nazionale e lo sviluppo". Si tratta, almeno in parte, di una conseguenza delle tensioni con gli Stati Uniti. 

Tra le aree evidenziate ci sono l'intelligenza artificiale, il calcolo quantistico, i circuiti integrati, la genetica e la biotecnologia, le neuroscienze e la ricerca aerospaziale. Al momento si progetta un innalzamento della spesa pari al 7% nei prossimi cinque anni. 

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Ricerca e sviluppo

Sullo sfondo di questa nuova iniziativa ci sono, come anticipato, le tensioni con gli Stati Uniti. Sono iniziate con il governo Trump e il ban imposto a Huawei, ma non sembra che l'amministrazione Biden abbia intenzione di cambiare strategia su questo aspetto. 

C'è quindi bisogno di rimpiazzare la tecnologia statunitense con prodotti nazionali. 

"La leadership in AI e nel calcolo permette alla Cina di ottenere benefici enormi nella guerra ibrida e nell'intelligenze", suggerisce Alex Capri della National University of Singapore’s business school, sentito dal Wall Street Journal.

Secondo il WSJ il progetto è in linea con l'intenzione del generale del governo cinese, che punta ad affrancarsi quanto prima dalle forniture statunitensi. 

Un effetto collaterale sarà ridurre la lacuna per quanto riguarda ricerca e sviluppo. Un cambiamento che potrebbe essere già iniziato, tra l'altro: se si guarda al numero di citazioni nelle riviste scientifiche, limitatamente all'Intelligenza Artificiale, le ricerche cinesi sono di più. Questo è quanto svelato da una ricerca della Stanford University, citata sempre dal WSJ. 

Il piano cinese include la creazione di nuovi laboratori nazionali e un supporto ai programmi accademici che potrebbero supportare lo sviluppo delle tecnologie citate. 

Via: Wall Street Journal

OQC, azienda inglese che produce computer quantistici diretta da Ilana Wisby, ha messo in cantiere la produzione di un "superfrigorifero". Il progetto vede la collaborazione di Oxford Instruments Nanoscience, specializzata nella produzione di criorefrigeratori. 

OQC sarà la prima ad utilizzare Proteox, un prototipo di criorefrigeratore in grado di raggiungere una temperatura di 5-8 millikelvin (circa -273 °C/-460 °F), molto vicina al celebre "zero assoluto".

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Stando a quanto afferma Wisby, temperature così basse consentiranno ad aziende come OQC di portare i computer quantici a livelli mai raggiunti prima incrementando la "stabilità" dei qubits (QuantumBit), ovvero le unità di informazione quantistica.

“Gli effetti quantistici avvengono solo in ambienti a bassissima energia, e l'energia è temperatura. In sostanza, abbiamo bisogno di temperature estremamente basse, dato che lavoriamo a livello di elettroni a cifra singola,”.

“Un qubit è un circuito elettronico fatto in alluminio, costruito con un pezzo di silicio, che viene raffreddato fino a diventare superconduttore per far si che si verifichino gli effetti quantistici a singolo elettrone.”

Durante l'intervista con TechRadar Pro, Wisbi ha detto che minori sono le temperature del sistema, meno "rumore e disordine si genera", dato che tutti gli "scarti inutili" vengono congelati. Grazie al criorefrigeratore Proteox, OQC è convinta di poter migliorare l'architettura delle sue macchine quantiche in maniera significativa. 

Il futuro è quantistico

Comprendere il concetto di quantum computing può essere complesso se non si hanno conoscenze in ambito fisico. Durante l'intervista, Wisby stessa ci ha confessato di aver incontrato parecchie difficoltà nel bilanciare l'integrità scientifica delle sue dichiarazioni con la necessità di rendere questi concetti comprensibili al grande pubblico. 

I computer quantistici operano in maniera completamente differente rispetto ai computer classici, utilizzando degli algoritmi particolari per accelerare i processi e operando su scale enormemente più grandi rispetto ai computer classici. 

“I computer quantistici sfruttano dei principi che definiscono il funzionamento del mondo a livello atomico. La superposizione, ad esempio, è un principio secondo il quale un oggetto può trovarsi in più posizioni diverse nello stesso momento, come una moneta che è al contempo testa e croce" ha detto Wisby.

“La stessa cosa può verificarsi per le informazioni. Per questo non siamo più limitati al semplice sistema binario costituito da zero e uno, ma possiamo utilizzare altri numeri che si possono definire sovrapposti"

Invece di effettuare calcoli in maniera lineare, i computer quantici possono sviluppare calcoli in parallelo, incrementando il numero di variabili in tempi estremamente ridotti.

Gli sviluppi in questo ambito, che al momento si trovano ancora in fase embrionale, avranno applicazioni ne settore medico, logistico, finanziario, informatico e in molti altri rami scientifici che richiedono l'analisi di enormi volumi di informazioni.

Punto di svolta

I computer quantistici non hanno ancora raggiunto prestazioni ampiamente superiori rispetto ai classici supercomputer, e solo poche aziende a livello mondiale operano in questo settore. 

Nell'ottobre del 2019, Google ha dichiarato di aver raggiunto la cosiddetta "supremazia quantistica" con il suo prototipo Sycamore, un computer quantistico che in 200 secondi ha eseguito un'operazione che, se effettuata da un normale computer, avrebbe richiesto 10,000 anni.

IBM ha immediatamente smentito il proclama di Google, affermando che il suo supercomputer Summit (che fino a quel momento era considerato il più veloce al mondo) è in grado di effettuare la stessa operazione in meno di tre giorni.

Anche se la supremazia quantistica rimane argomento di discussione, e i computer quantistici non hanno ancora portato a nessuna scoperta scientifica, Wisby è piuttosto sicura che le cose cambieranno nei prossimi anni.

“Non ci siamo ancora, ma non manca molto. Ci troviamo vicini a un punto di svolta oltre il quale dovremmo iniziare ad assistere a scoperte e applicazioni che finora erano considerate impossibili...realisticamente nei prossimi tre anni." 

“In ambito farmacologico, questo potrebbe portare alla comprensione di molecole specifiche, e persino a una maggiore comprensione dell'acqua."

C'è ancora molto lavoro da fare prima che i quantum computer riescano a raggiungere gli obiettivi prefissati. Tuttavia, i passi in avanti fatti finora uniti alle nuove tecnologie nell'ambito della refrigerazione permetteranno di abbreviare i tempi necessari a raggiungere la tanto agognata supremazia quantistica. 

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Honeywell ha presentato un computer quantistico di ultima generazione chiamato System Model H1, dotato di un dispositivo ad accoppiamento di carica quantico differenziato (QCCD) e basto sulla tecnologia degli ioni intrappolati (trapped-ion technology). Questo sistema, oltre a disporre delle più recenti innovazioni in ambito quantistico, è dotato di un design appositamente studiato per facilitare futuri aggiornamenti.

System Model H1 mette a disposizione 10 qubits (bit quantistici) completamente collegati, un volume quantico dichiarato di 128 e delle caratteristiche uniche come la misurazione quantistica a medio circuito e un sistema di recupero dei qubit. Honeywell si è inoltre impegnata ad aumentare annualmente il volume quantico dei suoi computer per i prossimi cinque anni.

Le aziende potranno accedere direttamente al System Model H1 via cloud con un’apposita API o attraverso Microsoft Azure Quantum, oltre che tramite i partner Zapata Computing e Cambridge Quantum Computing.

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Nell’ambito di una conferenza stampa, il presidente di Honeywell Quantum Solutions, Tony Uttley, ha affermato che i sistemi quantistici H1 verranno costantemente aggiornati nel corso degli anni: 

"La tabella di marcia che Honeywell sta seguendo con i computer quantistici riflette il nostro impegno nella promozione del business quantico su scala commerciale. Il modello ad abbonamento consente alle aziende di accedere alle tecnologie più avanzate di cui disponiamo. L’esclusivo metodo Honeywell ci consente di aggiornare sistematicamente i computer della generazione H1 aumentando la quantità di qubit, il livello di fedeltà e le loro funzioni uniche."

System Model H1

Dopo aver presentato al pubblico System Model H1, Honeywell ha confermato di aver già iniziato a lavorare sulla prossima generazione di computer System Model H2, oltre a promuovere le attività di sviluppo della futura generazione H3.

Le richieste di accesso ai computer quantistici dell’azienda sono già numerose, almeno stando a quanto afferma Uttley: 

"L’introduzione del System Model H1 è una pietra miliare per lo sviluppo del quantum computing e del suo utilizzo in ambito aziendale. Abbiamo visto un'enorme crescita della domanda durante il 2020 e siamo felici di collaborare con clienti che vogliono migliorare il loro business con il quantum computing.”  

Honeywell ha anche dichiarato che, di recente, DHL e Merck hanno sottoscritto un abbonamento per l’utilizzo dei computer quantici. Questi sono esempi di come il quantum computing possa rivelarsi utile anche in ambito farmaceutico e logistico, oltre che nelle applicazioni aerospaziali e tecnologiche gestite internamente da Honeywell. 

Siamo certi che sentiremo parlare ancora del System Model H1 man mano che le grandi aziende cominceranno ad utilizzarlo per ottimizzare i loro sistemi.

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Poiché l'informatica quantistica consentirà alle industrie di affrontare problemi che non avrebbero mai pensato di riuscire a risolvere prima, è piuttosto chiaro perché tra le aziende sta crescendo l’interesse per i computer quantistici.

Per aiutare le organizzazioni a sfruttare la potenza del calcolo quantistico, Xanadu ha annunciato il rilascio della prima piattaforma di cloud quantistico fotonico disponibile al mondo. Tale piattaforma consentirà agli sviluppatori di accedere ai suoi processori quantistici fotonici basati su gate, in macchine a 8, 12 e presto a 24 qubit.

I computer quantistici basati sulla fotonica offrono molti vantaggi rispetto alle piattaforme precedenti e i processori quantistici dell'azienda canadese, che realizza sistemi a tecnologia quantistica, funzionano a temperatura ambiente e possono essere facilmente integrati nelle infrastrutture di telecomunicazioni basate su fibra ottica esistenti.

Il tipo di qubit unico di Xanadu si basa sugli stati di compressione che sono un tipo speciale di luce generata dai dispositivi fotonici in silicio integrati nel chip.

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Il fondatore e CEO di Xanadu Christian Weedbrook ha spiegato perché i suoi computer quantistici usano la fotonica in un comunicato stampa, dicendo: "Riteniamo che la fotonica offra l'approccio più praticabile verso il calcolo quantistico universale ad altissima disponibilità grazie alla capacità di Xanadu di collegare in rete un gran numero di processori quantistici. 

Siamo entusiasti di fornire questo ecosistema, una prima mondiale sia per la fotonica quantistica che per quella classica. La nostra architettura è nuova ed è stata progettata per scalare come Internet rispetto ai tradizionali approcci mainframe al quantum computing ".

Xanadu Quantum Cloud

Istituzioni accademiche, startup quantistiche e importanti laboratori nazionali, tra cui Creative Destruction Labs, Scotiabank, BMO e Oak Ridge National Laboratory insieme ai partner e ai clienti di Xanadu, stanno attualmente testando soluzioni sul Xanadu Quantum Cloud in pre-release.

Tuttavia, l'azienda prevede di iniziare ad estendere l'accesso a una serie di nuovi clienti aziendali che intendono sfruttare il calcolo quantistico per risolvere i loro problemi più complessi.

Nel contempo gli sviluppatori possono utilizzare gli strumenti open source di Xanadu disponibili su GitHub, inclusa la sua libreria Python multipiattaforma per la simulazione e l'esecuzione di programmi su hardware fotonico quantistico Strawberry Fields e la sua libreria software per l'apprendimento automatico quantistico, il calcolo quantistico e la chimica quantistica Penny Lane.

Il team di Xanadu è al lavoro per sviluppare la prossima generazione di computer quantistici fotonici e Weedbrook ritiene che l'azienda sarà in grado di "raddoppiare all'incirca il numero di qubit" nei suoi sistemi cloud ogni sei mesi. L'azienda sta anche lavorando alla comunicazione sicura e al networking quantistico, che ritiene sarà dominato dalla fotonica.

Nonostante l'adozione da parte delle imprese del calcolo quantistico sia ancora nelle prime fasi di sviluppo, garantendo per la prima volta l'accesso al calcolo quantistico fotonico su cloud, permetterà a Xanadu di dare la possibilità agli sviluppatori di esplorare potenziali applicazioni aziendali basati su questa tecnologia emergente.

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TIM in Italia è diventato il primo operatore di telefonia mobile europeo a utilizzare il quantum computing sulla propria rete, sfruttando la tecnologia per ottimizzare la pianificazione delle sue celle radio.

Le architetture di calcolo classiche memorizzano le informazioni in bit binari (1 o 0), ma il calcolo quantistico utilizza la capacità delle particelle subatomiche di esistere in due diversi stati contemporaneamente.

Questo significa che i computer quantistici possono archiviare molte più informazioni e calcolare i problemi più rapidamente rispetto al sistema binario.

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Informatica quantistica nelle telecomunicazioni 

TIM ha utilizzato un modello algoritmico QUBO (quadratica senza vincoli binari) per pianificare i suoi parametri di rete 4G e 5G, eseguendo l'attività dieci volte più velocemente rispetto ai metodi convenzionali. Questa ottimizzazione aumenta l'affidabilità e le prestazioni della sua rete mobile.

In particolare, la pianificazione più efficace degli ID di cella, che consente agli smartphone di distinguere le diverse celle radio, migliorerà la qualità delle chiamate Voice-over-LTE (VoLTE), consentendo agli utenti di passare da una cella all'altra in modo più efficace.

Questa configurazione può essere effettuata in tempo reale grazie alla tecnologia SON (Self Organizing Network) di TIM.

L'informatica quantistica ha enormi implicazioni anche per il settore finanziario, militare e sanitario, in quanto permette di accelerare i progetti di ricerca. Tuttavia, l’entusiasmo per l’aumento della potenza di calcolo è smorzato dal timore che tale sviluppo potrebbe rendere obsolete la maggior parte delle misure di crittografia.

Nel Regno Unito, l'Ultra-Secure Quantum Network Link (UKQNTEL) collega la struttura di ricerca e sviluppo di Adastral Park a Suffolk e l'Università di Cambridge, e si collega alla più ampia rete di Quantum (UKQN), una collaborazione tra industria e università. 

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