I computer quantistici sono già riusciti a superare i computer ordinari nella risoluzione di determinati compiti, sfortunatamente, quelli totalmente inutili. Il prossimo traguardo è convincerli a fare cose utili. Ricercatori presso la Chalmers University of Technology, Svezia, hanno ora dimostrato di poter risolvere una piccola parte di un vero problema logistico con i loro piccoli, ma ben funzionante computer quantistico.

L'interesse per la costruzione di computer quantistici ha guadagnato un notevole slancio negli ultimi anni, e il lavoro febbrile è in corso in molte parti del mondo. Nel 2019, Il team di ricerca di Google ha compiuto un importante passo avanti quando il loro computer quantistico è riuscito a risolvere un compito molto più rapidamente del miglior supercomputer del mondo. Il rovescio della medaglia è che il compito risolto non ha avuto alcun uso pratico:è stato scelto perché è stato giudicato facile da risolvere per un computer quantistico, ma molto difficile per un computer convenzionale. Perciò, un compito importante è ora quello di trovare utili, problemi rilevanti che sono al di fuori della portata dei normali computer, ma che un computer quantistico relativamente piccolo potrebbe risolvere.

"Vogliamo essere sicuri che il computer quantistico che stiamo sviluppando possa aiutare a risolvere i problemi rilevanti in anticipo. Pertanto, lavoriamo in stretta collaborazione con aziende industriali, "dice il fisico teorico Giulia Ferrini, uno dei leader del progetto di computer quantistico della Chalmers University of Technology, iniziata nel 2018.

Insieme a Göran Johansson, Giulia Ferrini ha guidato il lavoro teorico quando un team di ricercatori di Chalmers, tra cui uno studente di dottorato industriale della società di logistica aeronautica Jeppesen, ha recentemente dimostrato che un computer quantistico può risolvere un problema reale nel settore dell'aviazione.

Tutte le compagnie aeree devono affrontare problemi di pianificazione. Per esempio, l'assegnazione dei singoli velivoli a diverse rotte rappresenta un problema di ottimizzazione che cresce molto rapidamente in dimensioni e complessità all'aumentare del numero di rotte e di velivoli. I ricercatori sperano che i computer quantistici alla fine riusciranno a gestire meglio questi problemi rispetto ai computer di oggi. L'elemento base del computer quantistico, il qubit, si basa su principi completamente diversi rispetto ai bit dei computer convenzionali, consentendo loro di gestire enormi quantità di informazioni con relativamente pochi qubit.

Però, per la loro struttura e funzione, i computer quantistici hanno requisiti di programmazione diversi rispetto ai computer convenzionali. Un algoritmo proposto che si ritiene sia utile sui primi computer quantistici è il cosiddetto algoritmo di ottimizzazione approssimata quantistica (QAOA). Il team di ricerca di Chalmers ha ora eseguito con successo questo algoritmo sul proprio computer quantistico, un processore con due qubit, e ha dimostrato che può risolvere con successo il problema dell'assegnazione degli aerei alle rotte. In questa prima dimostrazione, il risultato poteva essere facilmente verificato in quanto la scala era molto piccola:riguardava solo due aeroplani.

Potenziale per gestire molti aerei

Con questa impresa, i ricercatori sono stati i primi a dimostrare che l'algoritmo QAOA può risolvere in pratica il problema dell'assegnazione degli aerei alle rotte. Sono anche riusciti a eseguire l'algoritmo un livello più in là di chiunque altro prima, un risultato che richiede un hardware molto buono e un controllo accurato.

"Abbiamo dimostrato di avere la capacità di mappare problemi rilevanti sul nostro processore quantistico. Abbiamo ancora un piccolo numero di qubit, ma funzionano bene. Il nostro piano è stato quello di far funzionare tutto molto bene su piccola scala, prima di scalare, "dice Jonas Bylander, ricercatore senior responsabile del disegno sperimentale e uno dei leader del progetto di costruzione di un computer quantistico a Chalmers.

I teorici del gruppo di ricerca hanno anche simulato la risoluzione dello stesso problema di ottimizzazione per un massimo di 278 velivoli, che richiederebbe un computer quantistico con 25 qubit. "I risultati sono rimasti buoni mentre aumentavamo. Ciò suggerisce che l'algoritmo QAOA ha il potenziale per risolvere questo tipo di problema su scale ancora più grandi, "dice Giulia Ferrini.

Superare i migliori computer di oggi sarebbe, però, richiedono dispositivi molto più grandi. I ricercatori di Chalmers hanno ora iniziato a scalare e stanno attualmente lavorando con cinque bit quantistici. Il piano è raggiungere almeno 20 qubit entro il 2021 mantenendo l'alta qualità.