“Oggi annunciamo una ricerca che dimostra, per la prima volta nella storia, che un computer quantistico può eseguire con successo un algoritmo verificabile su hardware, superando persino i supercomputer classici più veloci (13.000 volte più veloci). Può calcolare la struttura di una molecola e apre la strada ad applicazioni nel mondo reale. Il progresso odierno si basa su decenni di lavoro e sei anni di importanti scoperte. Nel 2019, abbiamo dimostrato che un computer quantistico poteva risolvere un problema che avrebbe richiesto migliaia di anni al più veloce supercomputer classico. Poi, alla fine dell’anno scorso (2024), il nostro nuovo chip quantistico Willow ha mostrato come eliminare drasticamente gli errori, risolvendo un problema importante che ha sfidato gli scienziati per quasi 30 anni. La svolta odierna ci avvicina molto di più ai computer quantistici che possono guidare importanti scoperte in settori come la medicina e la scienza dei materiali”.
Immagina di cercare una nave perduta sul fondo dell’oceano. La tecnologia sonar potrebbe fornirti una sagoma sfocata e dirti: “C’è un relitto laggiù”. Ma cosa succederebbe se non solo riuscissi a trovare la nave ma anche a leggere la targhetta sullo scafo?
Questo è il tipo di precisione senza precedenti che abbiamo appena raggiunto con il nostro chip quantistico Willow. Oggi annunciamo un’importante svolta algoritmica che segna un passo significativo verso una prima applicazione nel mondo reale. Appena pubblicato su Nature , abbiamo dimostrato il primo vantaggio quantistico verificabile in assoluto, eseguendo l’algoritmo OTOC (Out-of-Order Time Correlator), che chiamiamo Quantum Echoes. Può essere utile per apprendere la struttura dei sistemi in natura, dalle molecole ai magneti ai buchi neri, e abbiamo dimostrato che funziona 13.000 volte più velocemente su Willow rispetto al miglior algoritmo classico su uno dei supercomputer più veloci al mondo. Ne parlano Hartmut Neven, Fondatore e responsabile di Google Quantum AI, Vadim Smelyanskiy, Direttore, Quantum Pathfinding, Google Quantum AI e Ashok Ajoy, collaboratore di Google Quantum AIProfessore associato di chimica, UC Berkeley nella sezione tecnologia di Google Blog.
In un esperimento separato di dimostrazione di principio, Calcolo quantistico della geometria molecolare tramite echi di spin nucleare a molti corpi ( pubblicato su arXiv), abbiamo mostrato come la nostra nuova tecnica, un “righello molecolare”, possa misurare distanze maggiori rispetto ai metodi attuali, utilizzando i dati della risonanza magnetica nucleare (NMR) per ottenere maggiori informazioni sulla struttura chimica.
L’algoritmo Quantum Echoes, un vantaggio quantistico verificabile
Questa è la prima volta nella storia che un computer quantistico riesce a eseguire con successo un algoritmo verificabile che supera le capacità dei supercomputer. La verificabilità quantistica significa che il risultato può essere ripetuto sul nostro computer quantistico – o su qualsiasi altro dello stesso calibro – per ottenere la stessa risposta, confermando il risultato. Questo calcolo ripetibile, al di là di quello classico, è la base per una verifica scalabile, che avvicina i computer quantistici a diventare strumenti per applicazioni pratiche.
La nostra nuova tecnica funziona come un’eco altamente avanzata. Inviamo un segnale accuratamente progettato nel nostro sistema quantistico (qubit sul chip Willow), perturbiamo un qubit, quindi invertiamo con precisione l’evoluzione del segnale per ascoltare l'”eco” che ritorna.
Questo eco quantistico è speciale perché viene amplificato dall’interferenza costruttiva, un fenomeno in cui le onde quantistiche si sommano fino a diventare più intense. Questo rende la nostra misurazione incredibilmente sensibile. Questa implementazione dell’algoritmo Quantum Echoes è resa possibile dai progressi nell’hardware quantistico del nostro chip Willow. L’anno scorso, Willow ha dimostrato la sua potenza con il nostro benchmark Random Circuit Sampling, un test progettato per misurare la massima complessità degli stati quantistici. L’algoritmo Quantum Echoes rappresenta una nuova classe di sfide perché modella un esperimento fisico. Ciò significa che questo algoritmo verifica non solo la complessità, ma anche la precisione del calcolo finale. Ecco perché lo chiamiamo “quantum verificabile”, ovvero il risultato può essere sottoposto a benchmark incrociati e verificato da un altro computer quantistico di qualità simile. Per garantire sia precisione che complessità, l’hardware deve avere due caratteristiche chiave: tassi di errore estremamente bassi e operazioni ad alta velocità.
Verso l’applicazione nel mondo reale
I computer quantistici saranno fondamentali nella modellazione dei fenomeni della meccanica quantistica, come le interazioni tra atomi e particelle e la struttura (o forma) delle molecole. Uno degli strumenti utilizzati dagli scienziati per comprendere la struttura chimica è la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN), la stessa scienza alla base della tecnologia MRI. La RMN agisce come un microscopio molecolare, sufficientemente potente da permetterci di vedere la posizione relativa degli atomi, aiutandoci a comprendere la struttura di una molecola. Modellare la forma e la dinamica delle molecole è fondamentale in chimica, biologia e scienza dei materiali, e i progressi che ci aiutano a farlo meglio sostengono il progresso in campi che vanno dalla biotecnologia all’energia solare alla fusione nucleare.
In un esperimento di dimostrazione di principio in collaborazione con l’Università della California, Berkeley, abbiamo eseguito l’algoritmo Quantum Echoes sul nostro chip Willow per studiare due molecole, una con 15 atomi e l’altra con 28 atomi, per verificare questo approccio. I risultati sul nostro computer quantistico corrispondevano a quelli della NMR tradizionale e hanno rivelato informazioni solitamente non disponibili con la NMR, il che rappresenta una convalida cruciale del nostro approccio.
Proprio come il telescopio e il microscopio hanno aperto nuovi mondi invisibili, questo esperimento rappresenta un passo avanti verso un “oscilloscopio quantistico” in grado di misurare fenomeni naturali precedentemente inosservabili. La risonanza magnetica nucleare (NMR) potenziata dal calcolo quantistico potrebbe diventare uno strumento potente nella scoperta di nuovi farmaci, aiutando a determinare come potenziali farmaci si legano ai loro bersagli, o nella scienza dei materiali per caratterizzare la struttura molecolare di nuovi materiali come polimeri, componenti di batterie o persino i materiali che compongono i nostri bit quantistici (qubit).
La risonanza magnetica nucleare (NMR) – la cugina spettroscopica della risonanza magnetica – rivela la struttura molecolare rilevando i minuscoli “spin” magnetici al centro degli atomi. L’algoritmo Quantum Echoes di Google mostra il potenziale dei computer quantistici per modellare e svelare in modo efficiente le complesse interazioni di questi spin, possibilmente anche su lunghe distanze. Con il continuo sviluppo dell’informatica quantistica, tali approcci potrebbero migliorare la spettroscopia NMR, aggiungendola al suo potente set di strumenti per la scoperta di farmaci e la progettazione di materiali avanzati.
Hartmut Neven, Fondatore e responsabile di Google Quantum AI, Vadim Smelyanskiy, Direttore, Quantum Pathfinding, Google Quantum AI, Ashok Ajoy, collaboratore di Google Quantum AIProfessore associato di chimica, UC Berkeley