Pubblicato da John Martinis, Chief Scientist Quantum Hardware e Sergio Boixo, Chief Scientist Quantum Computing Theory, Google AI Quantum

I fisici parlano del potere della computazione quantistica da oltre 30 anni, ma le domande sono sempre state: sarà mai utile e qualcosa in cui varrà la pena investire? Per questi sforzi su così larga scala è buona prassi ingegneristica formulare obiettivi decisivi a breve termine che dimostrino se i progetti vanno nella giusta direzione. Abbiamo quindi ideato un esperimento da utilizzare come obiettivo intermedio chiave che ci aiutasse a rispondere a queste domande. Questo esperimento, indicato come esperimento di "supremazia quantistica", ha fornito al nostro team indicazioni utili per superare le numerose sfide tecniche inerenti all'ingegneria dei sistemi quantistici e creare un computer che sia programmabile e potente. Per testare le prestazioni complessive del sistema abbiamo selezionato un benchmark computazionale sensibile che fallisce se un singolo componente del computer non dimostra prestazioni sufficienti.

Abbiamo pubblicato i risultati di questo esperimento di supremazia quantistica nell'articolo di Nature, "Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor". Abbiamo sviluppato un nuovo processore a 54 qubit, chiamato "Sycamore", composto da una tecnologia veloce e ad alta fedeltà di porte logiche quantistiche, al fine di eseguire i test di benchmark. La nostra macchina ha eseguito il calcolo target in 200 secondi e, dalle misurazioni del nostro esperimento, abbiamo stabilito che il supercomputer più veloce del mondo avrebbe impiegato 10.000 anni per produrre un risultato simile.
A sinistra: Rappresentazione dell'Artist del processore Sycamore montato nel criostato. (Versione a piena risoluzione; Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence) A destra: Fotografia del processore Sycamore. (Versione a piena risoluzione; Erik Lucero, Research Scientist e Lead Production Quantum Hardware)

L'esperimento

Per avere un'idea di come funziona questo benchmark, immagina neofiti del calcolo quantistico entusiasti che visitano il nostro laboratorio per eseguire un algoritmo quantistico sul nostro nuovo processore. Possono comporre algoritmi da un piccolo dizionario di operazioni elementari di porte logiche. Poiché ogni porta ha una probabilità di errore, i nostri ospiti si limiterebbero probabilmente a una sequenza modesta con circa un migliaio di porte in totale. Supponendo che questi programmatori non abbiano alcuna esperienza precedente, potrebbero creare quella che essenzialmente sembra una sequenza casuale di porte, che si potrebbe pensare come il programma "hello world" di un computer quantistico. Poiché non esiste una struttura in circuiti casuali che gli algoritmi classici possano sfruttare, l'emulazione di tali circuiti quantistici richiede in genere un'enorme quantità di attività di un supercomputer.

Ogni ciclo di un circuito quantistico casuale su un computer quantistico produce una stringa di bit, ad esempio 0000101. A causa dell'interferenza quantistica, ripetendo l'esperimento più volte, alcune stringhe di bit hanno molte più probabilità di verificarsi rispetto ad altre. Tuttavia, trovare le stringhe di bit più probabili per un circuito quantistico casuale su un computer classico diventa esponenzialmente più difficile all'aumentare del numero di qubit (larghezza) e del numero di cicli di porte (profondità).
Processo per dimostrare la supremazia quantistica.
Nell'esperimento, abbiamo prima eseguito circuiti semplificati casuali da 12 a 53 qubit, mantenendo costante la profondità del circuito. Abbiamo verificato le prestazioni del computer quantistico usando simulazioni classiche e le abbiamo confrontate con un modello teorico. Una volta verificato che il sistema funzionava, abbiamo eseguito circuiti fissi casuali con 53 qubit e profondità crescente, fino a raggiungere il punto in cui la simulazione classica è diventata impossibile.
Stima del tempo di verifica per i circuiti di supremazia quantistica in funzione del numero di qubit e del numero di cicli per l'algoritmo di Schrödinger-Feynman. Gli asterischi rossi mostrano il tempo di verifica stimato per i circuiti sperimentali.
Questo risultato è la prima sfida sperimentale contro la tesi di Church-Turing estesa, che afferma che i computer classici possono implementare in modo efficiente qualsiasi modello di calcolo "ragionevole". Eseguendo il primo calcolo quantistico che non può ragionevolmente essere emulato su un computer classico, abbiamo aperto la strada a un nuovo mondo del calcolo tutto da esplorare.

Il processore Sycamore

L'esperimento di supremazia quantistica è stato eseguito su un processore a 54 qubit completamente programmabile chiamato "Sycamore". È composto da una griglia bidimensionale in cui ogni qubit è collegato ad altri quattro qubit. Di conseguenza, il chip ha una connettività sufficiente per consentire agli stati dei qubit di interagire rapidamente in tutto il processore, rendendo impossibile emulare in modo efficiente lo stato complessivo con un computer classico.

Il successo dell'esperimento di supremazia quantistica è dovuto al miglioramento apportato alle porte a due qubit con un parallelismo potenziato che consente di ottenere prestazioni da record in modo affidabile, anche quando si utilizzano più porte contemporaneamente. Abbiamo raggiunto queste prestazioni utilizzando un nuovo tipo di manopola di controllo in grado di disattivare le interazioni tra qubit vicini. Ciò riduce notevolmente gli errori in un tale sistema di qubit multi-connesso. Abbiamo ottenuto ulteriori miglioramenti delle prestazioni ottimizzando il design del chip per ridurre la diafonia e sviluppando nuove calibrazioni di controllo che evitano difetti di qubit.

Abbiamo progettato il circuito in una griglia quadrata bidimensionale, in cui ogni qubit era collegato ad altri quattro qubit. Questa architettura è anche compatibile in avanti per l'implementazione della correzione degli errori quantistici. Riteniamo il nostro processore Sycamore a 54 qubit come il primo di una serie di processori quantistici sempre più potenti.
Mappa del calore che mostra errori di Pauli a uno (e1; crocette) e due qubit (e2: barre) per tutti i qubit che operano contemporaneamente. Il layout mostrato segue la distribuzione dei qubit sul processore. (Per gentile concessione della rivista Nature ).

Test di fisica quantistica

Per garantire la futura utilità dei computer quantistici, dovevamo anche verificare che non esistessero ostacoli principali derivanti dalla meccanica quantistica. La fisica ha una lunga storia di test sui limiti della teoria dimostrati attraverso l'esecuzione di esperimenti, poiché quando si iniziano a esplorare nuovi regimi caratterizzati da parametri fisici molto diversi spesso emergono nuovi fenomeni. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che la meccanica quantistica funziona come previsto fino a una dimensione in spazio di stato di circa 1000. Nel nostro caso abbiamo esteso questo test a una dimensione di 10 quadrilioni e abbiamo scoperto che tutto funziona ancora come previsto. Abbiamo anche testato la teoria quantistica fondamentale misurando gli errori delle porte a due qubit, scoprendo che ciò consente di predire accuratamente i risultati di benchmarking dei circuiti di supremazia quantistica completi. Ciò dimostra che non esiste una fisica inaspettata che potrebbe degradare le prestazioni del nostro computer quantistico. In conclusione, il nostro esperimento fornisce la prova che i computer quantistici più complessi dovrebbero funzionare come indicato dalla teoria e ci dà la sicurezza necessaria per andare avanti in questa direzione.

Applicazioni

Il computer quantistico Sycamore è completamente programmabile e può eseguire algoritmi quantistici per scopi generici. Dal raggiungimento dei primi risultati sulla supremazia quantistica la scorsa primavera, il nostro team ha già iniziato a lavorare su applicazioni a breve termine, tra cui, tra le altre aree, simulazione di fisica quantistica e chimica quantistica e nuove applicazioni di machine learning generativo.

Ora abbiamo anche il primo algoritmo quantistico di ampia utilità per applicazioni informatiche: casualità quantistica certificabile. La casualità è una risorsa importante nell'informatica e la casualità quantistica è il gold standard, soprattutto se i numeri possono essere autocontrollati (certificati) quando provenienti da un computer quantistico. Il test di questo algoritmo è in corso e nei prossimi mesi prevediamo di implementarlo in un prototipo in grado di fornire numeri casuali certificabili.

E ora?

Il nostro team ha due obiettivi principali per il futuro, entrambi volti a individuare preziose applicazioni relative al calcolo quantistico. In primo luogo, in futuro metteremo a disposizione i nostri processori supremacy-class a collaboratori e ricercatori accademici, nonché alle aziende interessate allo sviluppo di algoritmi e alla ricerca di applicazioni per i processori NISQ attualmente disponibili. I ricercatori creativi sono la risorsa più importante per l'innovazione: ora che abbiamo una nuova risorsa computazionale, speriamo che sempre più ricercatori cominceranno a lavorare in questo campo, motivati a provare ad inventare qualcosa di utile.

In secondo luogo, stiamo investendo nel nostro team e nella nostra tecnologia per costruire il più rapidamente possibile un computer quantistico a tolleranza d'errore. Un tale dispositivo potrebbe consentire innumerevoli e preziose applicazioni. Ad esempio, il calcolo quantistico potrebbe aiutare a progettare nuovi materiali: batterie leggere per auto e aerei, nuovi catalizzatori in grado di produrre fertilizzanti in modo più efficiente (un processo che oggi produce oltre il 2% delle emissioni di carbonio in tutto il mondo) e medicinali più efficaci. Il raggiungimento delle capacità computazionali necessarie richiederà ancora anni di duro lavoro ingegneristico e scientifico. Tuttavia, ora sappiamo chiaramente qual è il percorso da seguire e non vediamo l'ora di andare avanti.

Ringraziamenti

Desideriamo ringraziare i nostri collaboratori e collaboratori - University of California Santa Barbara, NASA Ames Research Center, Oak Ridge National Laboratory, Forschungszentrum Jülich e molti altri che ci hanno supportato in questo percorso.