Prima di procedere
Dopo anni di dibattiti e scetticismo, Google annuncia un nuovo traguardo nella computazione quantistica, rivendicando la supremazia quantistica con un algoritmo che non è solo teorico, ma anche di rilevanza pratica. Questa volta, la sfida non riguarda un problema sintetico, ma una simulazione di interazioni nucleari in molecole, aprendo prospettive inedite per la ricerca scientifica e tecnologica.
Nel lontano ottobre 2019, Google aveva già fatto parlare di sé con il suo computer quantistico Sycamore a 53 qubit, capace di risolvere un problema in 200 secondi, un'impresa che, secondo l'azienda, avrebbe richiesto 10.000 anni al supercomputer IBM Summit. Tuttavia, questa affermazione fu contestata, in particolare da programmatori cinesi che dimostrarono di poter risolvere lo stesso problema in poche ore utilizzando schede grafiche Nvidia.
Oggi, Google torna alla ribalta con un nuovo processore quantistico, Willow, dotato di 105 qubit, e forte di sei anni di esperienza nello sviluppo di algoritmi quantistici. La nuova ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, presenta un algoritmo con un valore pratico tangibile: la simulazione di interazioni nucleari in molecole. Secondo Google, un computer classico impiegherebbe 13.000 volte più tempo per risolvere un problema di simile complessità. Per esempio, un'operazione che richiede 2,1 ore a un sistema quantistico richiederebbe ben 3,2 anni al supercomputer Frontier.
La chiave di questo successo risiede nella tecnologia del "quantum echo", una sequenza di operazioni che manipolano gli stati quantistici dei qubit. Ogni qubit è collegato ai suoi vicini, permettendo al suo stato di sovrapposizione di influenzare gli altri. Questo processo, combinato con l'attivazione di gate a singolo qubit con parametri casuali, crea un'interferenza quantistica che permette di ottenere risultati significativamente diversi da quelli ottenibili con un computer classico.
Il team di Google ha scoperto che, ripetendo le operazioni più volte, è possibile accumulare statistiche sul comportamento del sistema, svelando i dettagli dell'interferenza quantistica. Simulazioni di questo tipo richiederebbero anni su un computer classico, mentre un computer quantistico può semplicemente ripetere le operazioni con diverse configurazioni casuali, ottenendo rapidamente una rappresentazione della distribuzione di probabilità nel sistema fisico.
Google sottolinea che questo non è un semplice esercizio di simulazione, ma una "copia naturale" del mondo reale, il cui comportamento può essere compreso attraverso gli echi quantistici. In particolare, la piattaforma è in grado di imitare il comportamento di piccole molecole, analizzabili tramite risonanza magnetica nucleare (RMN).
La spettroscopia RMN sfrutta le proprietà quantistiche del nucleo atomico, in particolare lo spin. Quando i nuclei sono vicini, i loro spin interagiscono. La RMN utilizza campi magnetici e fotoni per controllare questi spin e ottenere informazioni strutturali, come la distanza tra due atomi. Tuttavia, all'aumentare delle dimensioni delle molecole, le reti di spin si estendono su distanze maggiori, rendendo la modellazione sempre più complessa. Questo limita l'applicazione della RMN allo studio di interazioni tra spin relativamente vicini.
L'algoritmo di Google promette di superare queste limitazioni, calcolando le interazioni di spin su distanze maggiori, aprendo nuove prospettive nello studio di sostanze chimiche complesse. Ad esempio, l'introduzione di atomi "eco-emittenti" (come l'isotopo carbonio-13) potrebbe permettere di analizzare strutture molecolari estese, fornendo dati altrimenti inaccessibili. La simulazione quantistica, in questo caso, non si limita a sostituire gli esperimenti, ma fornisce un'interpretazione dei dati sperimentali, altrimenti impossibili da decifrare.
Al momento, il team di ricerca si è concentrato sulla dimostrazione del metodo su molecole semplici, confermando la validità del concetto. Tuttavia, le prospettive future sono promettenti: si prevede che questa tecnologia possa fornire informazioni strutturali su molecole a distanze atomiche attualmente inaccessibili alla spettroscopia RMN. Molti ricercatori sono alla ricerca di nuovi modi per sfruttare le proprie apparecchiature RMN, e presto sarà chiaro quale approccio, quantistico o classico, si rivelerà più efficace.
In sintesi, Google ha compiuto un passo significativo verso la realizzazione del potenziale della computazione quantistica, aprendo nuove frontiere nella scienza dei materiali, nella chimica e nella scoperta di farmaci. La supremazia quantistica, una volta un'astrazione teorica, si sta concretizzando in strumenti reali per la ricerca scientifica.
