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Un team congiunto di esperti di IBM e dell'istituto RIKEN (Giappone) ha compiuto un passo significativo nell'evoluzione del Quantum-Centric Supercomputing (QCSC). I ricercatori sono riusciti, per la prima volta, a stabilire un ciclo di calcolo chiuso dove un computer quantistico e un supercomputer, situati nelle immediate vicinanze, scambiavano continuamente dati di calcolo intermedi, collaborando per raggiungere un risultato comune.
Finora, i computer quantistici sono stati raramente utilizzati per ottenere calcoli di rilevanza pratica. In aggiunta, in combinazione con i supercomputer, operavano in cicli, inviandosi reciprocamente dati intermedi in fasi, su lunghi intervalli di tempo. Questo causava tempi morti per ciascuna delle piattaforme, mentre attendevano il completamento dei cicli di calcolo del partner. Considerando il costo astronomico del tempo di operatività di tali sistemi, si tratta di un lusso insostenibile. Il team di IBM e RIKEN è riuscito per la prima volta a garantire un funzionamento senza interruzioni di piattaforme informatiche completamente diverse, assicurando uno scambio continuo di dati all'interno di ogni ciclo di calcolo.
I ricercatori statunitensi, assieme ai colleghi giapponesi, hanno creato un sistema ibrido composto dal supercomputer Fugaku (costituito da 158.976 nodi, quasi 7,3 milioni di core ARM) e dal computer quantistico IBM Quantum System Two con processore Heron (133 qubit). È stata la prima volta che un complesso di calcolo classico ad alte prestazioni e un computer quantistico sono stati strettamente collegati su tale scala.
Il fulcro dell'esperimento consisteva nel calcolo della struttura elettronica di due molecole complesse composte da atomi di ferro e zolfo, elementi essenziali per la biochimica e la catalisi. La conoscenza delle distribuzioni degli strati elettronici è ciò che permette di comprendere il comportamento delle molecole in qualsiasi ambiente. Per il calcolo è stato utilizzato il metodo della "diagonalizzazione quantistica basata su campioni" (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD), in cui il processore quantistico generava campioni dallo spazio degli stati della molecola, e Fugaku elaborava enormi quantità di dati nell'ambito dei calcoli classici, correggendo i risultati in un ciclo iterativo.
Ciò ha consentito di ottenere la simulazione quantochimica più grande e precisa fino ad oggi: la precisione si è rivelata superiore a quella dei metodi classici accurati (peraltro inaccessibili a tali sistemi) e paragonabile ai migliori approcci classici approssimativi. Questo approccio innovativo ha permesso di superare i limiti dei metodi tradizionali, aprendo nuove prospettive per la modellazione di sistemi molecolari complessi.
Questo risultato può essere considerato con certezza la prima realizzazione pratica del concetto di calcolo supercomputer assistito da sistemi quantistici. Il flusso di lavoro chiuso sviluppato ha fornito un feedback rapido tra la parte quantistica e quella classica del sistema, elemento cruciale per l'utilizzo efficiente di entrambi i tipi di risorse. La stretta collaborazione tra le due architetture computazionali ha permesso di sfruttare al meglio i punti di forza di ciascuna, aprendo la strada a nuove scoperte scientifiche.
I rappresentanti di RIKEN e IBM hanno sottolineato che tale sintesi apre la strada all'integrazione nel sistema di calcolo di acceleratori (inclusi i GPU) e avvicina il momento del raggiungimento di una vera superiorità quantistica in calcoli chimici e fisici di valore pratico. Questo traguardo riveste grande importanza per il futuro del calcolo ibrido, creando una base per il ridimensionamento di tali piattaforme, inclusi gli ambienti ibridi cloud, e accelerando la ricerca nella scienza dei materiali, nella farmaceutica e nell'energia, dove la modellazione accurata delle interazioni molecolari gioca un ruolo chiave. L'impatto potenziale di questa tecnologia si estende a numerosi settori, promettendo di rivoluzionare la progettazione di nuovi farmaci, la scoperta di materiali avanzati e lo sviluppo di fonti di energia più efficienti.
