Google annuncia una svolta nel collo di bottiglia delle risorse fondamentali del calcolo quantistico, l'errore di calcolo di Willow è stato ridotto di 40 volte

Riassunto:

Google ha annunciato che il team di intelligenza artificiale di Google Quantum ha superato con successo un collo di bottiglia chiave nell'informatica quantistica: ha dimostrato che la soluzione di "coltivazione dello stato magico" è fattibile sul processore Willow e l'errore è ridotto di circa 40 volte rispetto al non utilizzo di questa tecnologia. Questo risultato rivoluzionario è stato pubblicato oggi sulla rivista Science e rappresenta un passo fondamentale nella promozione dell’applicazione pratica su larga scala dell’informatica quantistica.

Collo di bottiglia magico

Già nel 2004, molto prima che l'informatica quantistica diventasse una direzione pratica dell'ingegneria, i ricercatori avevano previsto uno spinoso collo di bottiglia.

Vuoi realizzare il

calcolo quantistico universale

, per eseguire un programma di valore pratico, deve essere in grado di eseguire un insieme specifico di operazioni quantistiche. Ciò si ottiene preparando innanzitutto i cosiddetti “stati magici”, così chiamati perché questi stati quantistici possono generare operazioni quantistiche oltre quelle richieste per i calcoli classici.

Ma qui c'è un problema: produrre mostri di alta qualità e corretti per gli errori richiede un dispendio estremamente elevato di risorse. Alcune stime mostrano che un computer quantistico può utilizzare fino al 95% di tutta la potenza di calcolo per generare stati magici, lasciando pochissime risorse per i calcoli effettivi. C’è un’altra difficoltà: una volta utilizzato lo stato magico, non può essere riutilizzato ed è una risorsa scarsa.

Pertanto, negli ultimi due decenni, i ricercatori scientifici hanno continuato a ridurre il costo delle risorse per la preparazione dello stato magico.

Come raggiungere questo traguardo

Nel 2024, i ricercatori di Google Quantum AI Craig Gidney, Noah Schulti e Cody Jones hanno preso in prestito idee dalla letteratura e le hanno ottimizzate per sviluppare quella che ora viene chiamata

Magic State Cultivation

tecnologia. Si prevede che questo programma ridurrà significativamente il consumo di risorse. L'idea centrale è: il processo di coltivazione è come un filtro. Stati quantistici rumorosi vengono iniettati in una piccola area del chip quantistico e vengono quindi eseguite una serie di misurazioni altamente coordinate per risolvere gli errori ed eliminare campioni non qualificati. Il team di Craig ha dimostrato che con questo metodo è possibile “coltivare” stati quantistici con purezza estremamente elevata e basso errore e convertirli simultaneamente in forme di codifica pratiche e su larga scala.

Questa soluzione ha ottimi risultati teorici. Se potesse essere implementato su hardware quantistico, potrebbe ridurre significativamente la scala dei computer quantistici necessari per compiti pratici.

Come molte attività di ricerca e sviluppo di nuove tecnologie, l'implementazione del progetto richiede una serie di innovazioni tecnologiche e ricerche ingegneristiche.

Un esempio: durante il test del protocollo di coltivazione per la prima volta, Emma Rosenfield, ricercatrice di intelligenza artificiale quantistica di Google, ha osservato dati che sembravano sfidare le leggi della fisica. Dopo mesi di risoluzione dei problemi, simulazioni, discussioni tra pari e controlli di coerenza, ha scoperto che il problema derivava da presupposti errati nei metodi di misurazione comunemente utilizzati dal team. Nello specifico, un tipo di rumore causato dalla deriva e dalle fluttuazioni di temperatura nelle apparecchiature elettriche di laboratorio interferisce con la validità dei risultati dei test di riferimento. Il team deve adattare contemporaneamente il quadro teorico e i piani ingegneristici. Il gruppo di ricerca ha aggiunto ulteriori metodi di controllo al sistema per attenuare l’impatto del rumore; ha inoltre creato una serie di metodi di test di riferimento per utilizzare la tecnologia stessa come strumento di misurazione per risolvere il problema alla radice.

Facendo affidamento su questo risultato e su ulteriori innovazioni di algoritmi e soluzioni ingegneristiche, Google ha spinto la tecnologia di misurazione quantistica a un nuovo livello massimo. Sul processore Willow di Google Quantum AI, questo protocollo raggiunge una compressione degli errori fino a 40 volte superiore rispetto agli stati quantistici senza elaborazione della coltivazione; la fedeltà logica dello stato T risultante raggiunge il livello record del 99,99%.

Questo risultato è stato ora pubblicato su Science. È la prima volta che viene dimostrata una soluzione fattibile a uno dei colli di bottiglia più gravi nel campo dell’informatica quantistica e dimostra su hardware reale che Google può preparare in modo efficiente questo stato magico chiave.

Risultati della ricerca e prospettive future

Google ha inoltre inizialmente verificato che la teoria proposta da Craig e altri possa essere adattata alla sua architettura di calcolo quantistico. Il team ha realizzato il passaggio tra il "codice colore" (un nuovo tipo di codice di correzione degli errori quantistici, molto adatto per la coltivazione di stati magici) e il "codice di superficie" (uno schema di correzione degli errori più maturo), innestando lo stato quantico del codice colore con una distanza di 3 al codice di superficie con una distanza di 5. Questo protocollo di innesto è venuto per la prima volta da un articolo teorico nel 2024. Questo esperimento ha confermato che lo stato quantistico purificato può sopravvivere stabilmente ed essere trasmesso senza problemi nell'hardware.