Mentre diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo corrono per costruire un computer quantistico scalabile, Rimangono interrogativi su come sarà verificato il raggiungimento della supremazia quantistica.

La supremazia quantistica è il termine che descrive la capacità di un computer quantistico di risolvere un compito computazionale che sarebbe proibitivo per qualsiasi algoritmo classico. È considerata una pietra miliare fondamentale nell'informatica quantistica, ma poiché la natura stessa dell'attività quantistica sfida le conferme tradizionali, ci sono stati sforzi paralleli per trovare un modo per dimostrare che la supremazia quantistica è stata raggiunta.

Ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno appena pesato dando un'importante proposta pratica nota come campionamento a circuito casuale (RCS) un sigillo di approvazione qualificato con il peso dell'evidenza teorica della complessità dietro di esso. Il campionamento del circuito casuale è la tecnica che Google ha proposto per dimostrare se ha raggiunto o meno la supremazia quantistica con un chip per computer da 72 qubit chiamato Bristlecone, svelato all'inizio di quest'anno.

I teorici informatici della UC Berkeley hanno pubblicato la loro prova di RCS come metodo di verifica in un articolo pubblicato lunedì, 29 ottobre nel diario Fisica della natura .

"La necessità di prove solide per la supremazia quantistica è sottovalutata, ma è importante fissare questo punto, " ha detto il ricercatore principale dello studio Umesh Vazirani, Roger A. Strauch Professore di ingegneria elettrica e informatica all'Università di Berkeley. "Oltre ad essere una pietra miliare sulla strada per computer quantistici utili, la supremazia quantistica è un nuovo tipo di esperimento di fisica per testare la meccanica quantistica in un nuovo regime. La domanda fondamentale a cui si deve rispondere per qualsiasi esperimento di questo tipo è quanto possiamo essere sicuri che il comportamento osservato sia veramente quantistico e non possa essere stato replicato con mezzi classici. Questo è ciò che i nostri risultati affrontano".

Gli altri investigatori su questo documento sono Adam Bouland e Bill Fefferman, entrambi assegnisti di ricerca post-dottorato, e Chinmay Nirkhe, un dottorato di ricerca alunno, tutto nel gruppo di ricerca sull'informatica teorica di Vazirani.

Gli investimenti in quantum si stanno scaldando

Il documento arriva nel mezzo di un'attività accelerata nel governo, il mondo accademico e industriale nella scienza dell'informazione quantistica. Il Congresso sta considerando il National Quantum Initiative Act, e il mese scorso, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la National Science Foundation hanno annunciato quasi 250 milioni di dollari in sovvenzioni per sostenere la ricerca nella scienza e nelle tecnologie quantistiche.

Allo stesso tempo, il Lawrence Berkeley National Laboratory e UC Berkeley hanno annunciato la formazione di Berkeley Quantum, una partnership progettata per accelerare ed espandere l'innovazione nella scienza dell'informazione quantistica.

La posta in gioco è alta poiché la concorrenza internazionale nella ricerca quantistica si surriscalda e cresce la necessità di calcoli sempre più complessi. Con il vero calcolo quantistico, problemi che sono poco pratici anche per i supercomputer più veloci fino ad oggi potrebbero essere relativamente efficienti da risolvere. Sarebbe un punto di svolta nella crittografia, simulazioni di interazioni molecolari e chimiche e machine learning.

I computer quantistici non sono confinati dai tradizionali 0 e 1 dei bit di un computer tradizionale. Anziché, bit quantistici, o qubit, può codificare 0, 1 e qualsiasi sovrapposizione quantistica dei due per creare più stati contemporaneamente.

Quando Google ha presentato Bristlecone, ha detto che la prova empirica della sua supremazia quantistica sarebbe arrivata attraverso il campionamento di circuiti casuali, una tecnica in cui il dispositivo utilizzerebbe impostazioni casuali per comportarsi come un circuito quantistico casuale. Per essere convincente, dovrebbe anche esserci una forte evidenza che non esiste un algoritmo classico in esecuzione su un computer classico che possa simulare un circuito quantistico casuale, almeno in un lasso di tempo ragionevole.

Rilevare accenti quantistici

Il team di Vazirani ha fatto riferimento a un'analogia tra l'uscita del circuito quantistico casuale e una stringa di sillabe casuali in inglese:anche se le sillabe non formano frasi o parole coerenti, possederanno ancora un "accento" inglese e saranno riconoscibilmente diversi dal greco o dal sanscrito.

Hanno dimostrato che produrre un output casuale con un "accento quantico" è davvero difficile per un computer classico attraverso un costrutto teorico della complessità tecnica chiamato "riduzione dal caso peggiore alla media".

Il passo successivo è stato verificare che un dispositivo quantistico stesse effettivamente parlando con un accento quantistico. Questo si basa sul principio Goldilocks:una macchina da 50 qubit è abbastanza grande da essere potente, ma abbastanza piccolo da essere simulato da un classico supercomputer. Se è possibile verificare che una macchina da 50 qubit parli con un accento quantistico, allora ciò fornirebbe una prova evidente che una macchina da 100 qubit, che sarebbe proibitivamente difficile da simulare classicamente, farebbe così, anche.

Ma anche se un classico supercomputer fosse programmato per parlare con un accento quantistico, sarebbe in grado di riconoscere un madrelingua? L'unico modo per verificare l'uscita dell'altoparlante è tramite un test statistico, hanno detto i ricercatori di Berkeley. I ricercatori di Google stanno proponendo di misurare il grado di corrispondenza con una metrica chiamata "differenza di entropia incrociata". Un punteggio di 1 entropia incrociata sarebbe una corrispondenza ideale.

Il presunto dispositivo quantistico può essere considerato come un circuito quantistico ideale con l'aggiunta di rumore casuale. Fefferman e Bouland affermano che il punteggio dell'entropia incrociata certificherà l'autenticità dell'accento quantistico a condizione che il rumore aggiunga sempre entropia all'output. Questo non è sempre il caso, ad esempio se il processo del rumore cancella preferenzialmente 0 su 1, può effettivamente ridurre l'entropia.

"Se i circuiti casuali di Google sono generati da un processo che consente tali cancellazioni, allora l'entropia incrociata non sarebbe una misura valida della supremazia quantistica, " ha detto Bouland. "Questo è in parte il motivo per cui sarà molto importante per Google stabilire come il suo dispositivo devia da un vero circuito quantistico casuale".

Questi risultati sono un'eco del lavoro che Vazirani fece nel 1993 con il suo allievo Ethan Bernstein, aprendo la porta agli algoritmi quantistici presentando accelerazioni da parte dei computer quantistici che violano un principio fondamentale dell'informatica chiamato tesi di Church-Turing estesa.

Peter Shor di Bell Labs ha compiuto un ulteriore passo avanti dimostrando che un problema pratico molto importante, fattorizzazione intera, potrebbe essere accelerato in modo esponenziale da un computer quantistico.

"Questa sequenza fornisce un modello per la corsa alla costruzione di computer quantistici funzionanti, " ha detto Vazirani. "La supremazia quantistica è una violazione sperimentale della tesi estesa di Church-Turing. Una volta raggiunto ciò, la prossima sfida sarà progettare computer quantistici in grado di risolvere problemi praticamente utili".