Willow, il nuovo Chip quantistico di Google, che risolve in minuti, problemi che richiederebbero miliardi di anni

Un una straordinaria dimostrazione di potenza di calcolo, l’ultimo chip quantistico “Willow” di Google a 105 qubit ha superato i più sofisticati supercomputer del mondo. Willow” ha risolto in pochi minuti ciò che i supercomputer più veloci avrebbero impiegato per un quadrilione di vite dell’universo” . Un’affermazione molto eclatante.

Inoltre, il chip avanzato mostra un’eccezionale capacità di gestire il rumore quantistico, riducendo in modo significativo i tassi di errore man mano che il sistema si espande. Questo sviluppo vitale migliora la fedeltà dei calcoli quantistici e permette di affrontare problemi più grandi e complessi con una precisione senza precedenti.

Nonostante questi risultati, gli esperti notano che Willow è ancora in fase sperimentale e che l’intero spettro delle sue capacità deve ancora essere sfruttato per affrontare le applicazioni del mondo reale.

Le principali scoperte di Willow

Riduzione esponenziale dei tassi di errore

Willow, l’ultimo chip quantistico di Google, rappresenta un importante passo avanti nell’affrontare una delle sfide intrinseche dell’informatica quantistica, la questione dei tassi di errore. Quando i sistemi quantistici scalano, il numero di qubit aumenta, aumentando la probabilità di errori che possono compromettere l’accuratezza dei calcoli.

Willow : fonte Google

I computer quantistici sono intrinsecamente “rumorosi”, il che significa che senza tecnologie avanzate di correzione degli errori, ogni 1 qubit su 1.000, i mattoni fondamentali di un computer quantistico, fallisce. questo perché la risposta di un qbit non è “Si o No” come un bit, ma una distribuzione poissoniana.

Esempio di distribuzione Poissoniana, che spiega cosa sia il “Rumore”

Questo rumore limita significativamente il tempo in cui i qubit possono rimanere in uno stato di sovrapposizione, che è cruciale per i calcoli di elaborazione parallela.

Tuttavia, Willow ha dimostrato la capacità di ridurre esponenzialmente i tassi di errore aggiungendo altri qubit. Questa svolta è stata ottenuta grazie a tecniche avanzate di correzione degli errori quantistici, che consentono al sistema di gestire matrici di qubit più grandi, da una griglia 3×3 a una 5×5 e, infine, a una griglia 7×7, dimezzando continuamente il tasso di errore a ogni aumento di scala.

Al contrario, nell’informatica convenzionale, ogni 1 miliardo di miliardi di bit fallisce. Questo risultato supera una barriera che persiste da quando la correzione degli errori quantistici è stata concepita da Peter Shor nel 1995 e rende i computer quantistici meno soggetti a errori man mano che aumentano di scala.

Prestazioni con il benchmark RCS

L’efficacia di Willow è messa in evidenza dalle sue prestazioni nel benchmark Random Circuit Sampling (RCS), un test fondamentale per le capacità di calcolo quantistico. Questo benchmark è uno dei più impegnativi per i processori quantistici e serve come cartina di tornasole per determinare se i sistemi quantistici possono superare i computer classici in compiti specifici.

L’RCS misura se un computer quantistico è in grado di risolvere problemi non fattibili per i sistemi classici, stabilendo un’elevata soglia di superiorità quantistica.

In una recente dimostrazione, Willow ha completato in meno di cinque minuti un calcolo che, secondo stime prudenti, richiederebbe a uno dei supercomputer classici più avanzati di oggi, Frontier, circa 10 settilioni di anni per essere risolto. Insomma, tanto, tanto tempo. 

Per mettere questo dato in prospettiva, questo tempo – 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 anni – supera di gran lunga l’età attuale stimata dell’universo, sottolineando la profonda velocità a cui può operare l’informatica quantistica.

Hartmut Neven, fondatore e responsabile di Google Quantum AI, ha riflettuto su questo risultato affermando: “Conferisce credibilità all’idea che il calcolo quantistico avvenga in molti universi paralleli, in linea con l’idea che viviamo in un multiverso, una previsione fatta per la prima volta da David Deutsch”.

Inoltre, l’uso di Google di RCS per tracciare i progressi da una generazione di chip all’altra, comprese le valutazioni precedenti come i risultati di Sycamore del 2019 e del 2024, indica un allontanamento significativo e in accelerazione dalle capacità di calcolo classiche.

La realizzazione di Willow

Willow, il chip quantistico avanzato di Google, è stato realizzato in un impianto di fabbricazione all’avanguardia a Santa Barbara, progettato appositamente per la tecnologia quantistica. Questo impianto è uno dei pochi al mondo, costruito appositamente per gestire le sfide uniche della produzione di chip quantistici.

La progettazione di Willow è stata un’impresa olistica che ha comportato l’integrazione precisa di vari componenti quantistici. Elementi chiave come gate a uno e due qubit, reset dei qubit e letture sono stati combinati senza soluzione di continuità per garantire prestazioni ottimali.

Il successo di questi componenti in armonia è fondamentale, mentre qualsiasi ritardo o disallineamento può avere un impatto significativo sulle prestazioni complessive del sistema.

Nella ricerca della superiorità quantistica, Google ha privilegiato la qualità rispetto alla quantità. Willow vanta 105 qubit, ma la qualità di ogni qubit lo distingue, come dimostrano le sue prestazioni in benchmark rigorosi come la correzione degli errori quantistici e il campionamento casuale dei circuiti.

Questi benchmark sono fondamentali per valutare le prestazioni complessive del chip e hanno dimostrato le capacità di alto livello di Willow.

In particolare, Willow ha migliorato notevolmente i tempi T1, che misurano il tempo in cui i qubit mantengono l’eccitazione, una risorsa critica per l’elaborazione quantistica. Il raggiungimento di tempi T1 prossimi ai 100 microsecondi rappresenta un miglioramento di circa cinque volte rispetto alle generazioni precedenti, sottolineando i significativi progressi nella stabilità e nella longevità dei qubit.

Prospettive e sfide future

Un ponte tra la teoria e l’applicazione pratica

In prospettiva, la sfida per Google e per la comunità dell’informatica quantistica consiste nel passare dalla dimostrazione delle capacità teoriche all’esecuzione di calcoli con applicazioni reali tangibili. Willow mira a realizzare la prima computazione “utile, al di là della teoria” che affronti problemi pratici.
Sebbene i benchmark RCS e le simulazioni di sistemi quantistici abbiano dimostrato il potenziale dell’informatica quantistica, non hanno ancora prodotto risultati che si traducano direttamente in applicazioni commerciali. L’obiettivo di Google è quello di unire questi due filoni, realizzando simulazioni scientificamente significative e sviluppando algoritmi in grado di risolvere problemi complessi e commercialmente rilevanti, attualmente al di là della portata dei computer classici.

La risposta di Elon Musk

Reagendo all’annuncio del nuovo chip quantistico da parte di Sundar Pichai, Elon Musk ha dato il via a una conversazione intensa con un semplice ma efficace “Wow”. Pichai ha poi accennato al potenziale futuro dell’informatica quantistica nello spazio, suggerendo: “Un giorno dovremmo realizzare un cluster quantistico nello spazio con Starship”. Musk ha risposto con entusiasmo, prevedendo che “probabilmente succederà”.

Ha poi sottolineato il progresso della civiltà, osservando che ogni civiltà che si rispetti dovrebbe puntare al tipo Kardashev II e ha discusso della necessità di scalare l’energia solare. Ha osservato che “attualmente siamo solo a <5% del Tipo I. Per arrivare a ~30%, dovremmo collocare pannelli solari in tutte le regioni desertiche o altamente aride”.
Pichai ha concordato, sottolineando l’importanza di massimizzare l’energia solare, osservando: “Dovremmo scalare l’energia solare molto di più, incredibile che continuiamo a guardare alle alternative quando la strada più ovvia è davanti ai nostri occhi, letteralmente!”.

Invito a collaborare

Google invita ricercatori, ingegneri e sviluppatori a unirsi a questo viaggio pionieristico. Google promuove un ambiente collaborativo attraverso iniziative come il software open-source e i corsi di formazione su piattaforme come Coursera. Queste risorse sono progettate per educare i nuovi talenti alla correzione degli errori quantistici e allo sviluppo di algoritmi, spingendo ulteriormente i confini di ciò che l’informatica quantistica può raggiungere.

Willow rimane solo un prototipo e proprio il fatto di aver privilegiato la qualità rispetto alla quantità di produzione ne farà, ancora a lungo, una sorta di prototipo di studio, più che un’applicazione reale. Comunque il futuro è molto vicino.