sabato, Agosto 13, 2022

E se i computer “normali” fossero più potenti dei computer quantistici?

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Tre anni fa Sycamore, il computer quantistico di Google, sembrava aver battuto un record impossibile da raggiungere per i computer convenzionali, risolvendo in una manciata di secondi un calcolo molto complesso e conseguendo la cosiddetta supremazia quantistica. Adesso, un modello sviluppato da un gruppo di ricercatori dell’Istituto di fisica teorica dell’Accademia cinese delle scienze, i cui risultati sono in via di pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters (di cui qui si può leggere il pre-print, prima della revisione tra pari), sembra aver battuto questo primato, con processori normali. È quanto riporta un articolo comparso sul magazine di Science: secondo gli autori dello studio, poi, un supercomputer tradizionale potrebbe sconfiggere definitivamente Sycamore.

Sycamore e la supremazia quantistica

Prima facciamo qualche precisazione: un computer quantistico è un tipo di computer che si serve di alcune proprietà della meccanica quantistica per ottenere una potenza di calcolo decisamente superiore a quella di un computer normale. In particolare, i processori quantistici usano i qubit, che, a differenza dei bit con cui lavorano i processori tradizionali (che possono assumere alternativamente il valore di 0 o 1), possono immagazzinare molte più informazioni: essi, infatti, possono essere impostati su 0, 1 o, grazie alle proprietà della meccanica quantistica, qualsiasi combinazione di 0 e 1 allo stesso tempo; ciò consente di svolgere moltissime operazioni contemporaneamente e, pertanto, diminuisce drasticamente i tempi di calcolo

Questa caratteristica avrebbe consentito a Sycamore, computer a 53 qubit, di raggiungere la supremazia quantistica, ovvero riuscire a risolvere un calcolo che un computer tradizionale non riuscirebbe a risolvere in un tempo ragionevole. In effetti, come vi avevamo raccontato qui, il computer quantistico di Google nel 2019 avrebbe risolto un complesso problema matematico in 200 secondi. Secondo le stime di Google, Summit, il supercomputer tradizionale più potente al mondo, sviluppato da Ibm per l’Oak Ridge national laboratory, ci avrebbe impiegato circa 10mila anni. Già nel 2019 i ricercatori di Ibm avevano subito ribattuto che se essi avessero sfruttato ogni bit del disco rigido disponibile, Summit avrebbe potuto gestire il calcolo in pochi giorni. È quanto hanno dimostrato adesso i ricercatori cinesi, coordinati da Pan Zhang: gli scienziati avrebbero fatto eseguire il complesso calcolo di Sycamore con normali processori, in poche ore

Lo studio e i limiti

In particolare, per risolvere il problema di Sycamore, Zhang e colleghi hanno utilizzato un metodo matematico classico che prevedeva l’utilizzo di una griglia tridimensionale di numeri complessi (chiamata tensore) per sviluppare algoritmo in grado di simulare i circuiti di Sycamore: il modello consisteva di 20 strati (tanti quanti i cicli di Sycamore), in cui ognuno di essi contava 53 punti, uno per ogni qubit del computer quantistico. Le linee tra i punti erano codificate da tensori e la simulazione li moltiplicava tra di loro, riuscendo a far eseguire i calcoli in parallelo. Con questo modello, il problema sottoposto a Sycamore è stato risolto dai processori tradizionali in 15 ore: ciò è stato possibile poiché il team di Zhang ha approssimato i risultati del calcolo, in maniera simile a quanto fatto da Sycamore, che mostrava una fedeltà pari allo 0,2%. Mantenendo una fedeltà dello 0,37%, è stato possibile accelerare il calcolo del computer tradizionale di 256 volte. Non è finita qui: ci sono diversi punti – si legge nell’articolo – in cui gli algoritmi proposti possono essere ulteriormente accelerati e su di un supercomputer, il calcolo richiederebbe alcune dozzine di secondi, dice Zhang, 10 miliardi di volte più velocemente di quanto stimato dai ricercatori di Google.

In effetti, è lo stesso Zhang ad affermare che Sycamore ha richiesto molte meno operazioni e meno energia di un supercomputer, con una fedeltà di risultati superiore: se la loro simulazione avesse voluto mantenere gli stessi parametri del computer quantistico, i tempi sarebbero stati molto più lunghi. La partita è aperta, dunque. Come ha detto a Science.org Dominik Hangleiter, informatico quantistico dell’Università del Maryland, negli Stati Uniti, “l’esperimento di Google ha fatto quello che doveva fare, iniziare questa gara“. E che vinca il migliore.

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