I ricercatori dell'Università di Bristol hanno scoperto che i computer quantistici super potenti, che scienziati e ingegneri di tutto il mondo stanno correndo per costruire, devono essere ancora più potenti di quanto si pensasse prima di poter battere i normali PC di oggi.

I computer quantistici sono un nuovo tipo di macchina che opera su hardware meccanico quantistico e si prevede che fornisca enormi vantaggi in termini di velocità nella risoluzione di determinati problemi.

Gruppi di ricerca presso importanti università e aziende, compreso Google, Microsoft e IBM, fanno parte di una corsa mondiale per realizzare il primo computer quantistico che attraversa la "singolarità computazionale quantistica".

Questo rappresenta un problema così complesso che il miglior supercomputer di oggi impiegherebbe secoli per trovare una soluzione, mentre un computer quantistico potrebbe romperlo in pochi minuti.

Ora un team di scienziati di Bristol ha scoperto che il confine di questa singolarità è più lontano di quanto si pensasse in precedenza.

La ricerca è riportata questa settimana in Fisica della natura .

I risultati si applicano a un algoritmo quantistico altamente influente noto come "campionamento di bosoni", che è stato ideato come un percorso molto diretto per dimostrare la supremazia dell'informatica quantistica sulle macchine classiche.

Il problema del campionamento dei bosoni è progettato per essere risolto da fotoni (particelle di luce) controllati in chip ottici, tecnologia introdotta dai laboratori di ingegneria e tecnologia quantistica di Bristol (QETLabs).

La previsione del modello di molti fotoni che emergono da un grande chip ottico è correlata a un calcolo di matrice casuale estremamente difficile.

Con il rapido progresso delle tecnologie quantistiche, sembrava che un esperimento di campionamento bosonico che attraversasse la singolarità computazionale quantistica fosse a portata di mano. Però, il team di Bristol è stato in grado di ridisegnare un vecchio algoritmo classico per simulare il campionamento dei bosoni, con conseguenze drammatiche.

Dottor Anthony Laing, che dirige un gruppo in QETLabs e ha condotto questa ricerca, ha dichiarato:"È come mettere a punto un vecchio aereo a elica per andare più veloce di un primo aereo a reazione.

"Siamo in un momento della storia in cui è ancora possibile per gli algoritmi classici superare gli algoritmi quantistici che ci aspettiamo siano alla fine supersonici.

"Ma dimostrare una tale impresa significava mettere insieme un team di scienziati, matematici, e programmatori".

L'esperto di algoritmi classici Dr Raphaël Clifford, dal Dipartimento di Informatica di Bristol, ridisegnato diversi algoritmi classici per attaccare il problema del campionamento dei bosoni, con l'algoritmo Metropolised Independence Sampling degli anni '50 che offre le migliori prestazioni.

Il codice di simulazione è stato ottimizzato dal ricercatore di QETLabs 'EJ', un ex programmatore LucasArts. La competenza sulla complessità computazionale è venuta dalla dott.ssa Ashley Montanaro, della Scuola di Matematica di Bristol, mentre gli studenti di QETLabs Chris Sparrow e Patrick Birchall hanno elaborato le prestazioni previste della tecnologia fotonica quantistica concorrente.

Al centro del progetto e che ha riunito tutti questi filoni c'era lo studente di dottorato di QETLabs e il primo autore dell'articolo, Alex Neville, chi ha provato, implementato, rispetto, e analizzato, tutti gli algoritmi

Ha detto:"Il più grande esperimento di campionamento bosonico riportato finora è per cinque fotoni.

"Si credeva che 30 o anche 20 fotoni sarebbero stati sufficienti per dimostrare la supremazia computazionale quantistica".

Eppure è stato in grado di simulare il campionamento dei bosoni per 20 fotoni sul suo laptop, e ha aumentato la dimensione della simulazione a 30 fotoni utilizzando server dipartimentali.

Alex ha aggiunto:"Con l'accesso al supercomputer più potente di oggi, potremmo simulare il campionamento di bosoni con 50 fotoni".

La ricerca si basa sulla reputazione di Bristol come centro di attività per la scienza quantistica e lo sviluppo di tecnologie quantistiche.

Attraverso QETLabs, l'università ha intrapreso un ambizioso programma per portare le tecnologie quantistiche fuori dal laboratorio e trasformarle in dispositivi utili che hanno applicazioni nel mondo reale per affrontare alcuni dei problemi più difficili della società.

Oltre alle collaborazioni con aziende tecnologiche come Microsoft, Google, e Nokia, a Bristol sono emerse start-up e nuove attività commerciali incentrate sulle tecnologie quantistiche.

Un tema importante nell'intera attività di ricerca quantistica è lo sviluppo della nostra comprensione di come esattamente le tecnologie quantistiche possano superare in modo dimostrabile le prestazioni dei computer convenzionali.

Recentemente il dottor Montanaro, insieme al professor Noah Linden della School of Mathematics, ha organizzato un Heilbronn Focused Research Group sul tema della supremazia computazionale quantistica.

Questo incontro ha portato alcuni dei leader mondiali del settore, sia dell'industria che del mondo accademico, a Bristol per una settimana di intense discussioni e collaborazione. Tra i partecipanti c'era uno dei teorici che ha ideato il campionamento dei bosoni, Professor Scott Aaronson, da UT Austin.

Sebbene superare i computer classici potrebbe richiedere un po' più di tempo di quanto inizialmente sperato, Il dottor Laing è ancora ottimista riguardo alle prospettive di costruire un dispositivo per fare proprio questo.

Ha detto:"Ora abbiamo una solida idea della sfida tecnologica che dobbiamo affrontare per dimostrare che le macchine quantistiche possono superare le loro controparti classiche. Per il campionamento dei bosoni, la singolarità si trova appena oltre i 50 fotoni. È una noce più difficile da decifrare di quanto pensassimo all'inizio, ma continuiamo a immaginare le nostre possibilità".

Con il gruppo del dottor Laing concentrato sulle applicazioni pratiche delle tecnologie quantistiche, il lavoro attuale pone limiti alle dimensioni e alla sofisticatezza dei dispositivi fotonici che saranno necessari per affrontare problemi rilevanti a livello industriale che vanno oltre le capacità degli algoritmi classici di oggi.