Quantum advantage con un processore fotonico programmabile, disponibile adesso su cloud

Sin dalla prima proposta di un paradigma computazionale basato sulle regole della meccanica quantistica, un notevole sforzo di ricerca è stato dedicato all’identificazione dei sistemi fisici più adatti e delle migliori strategie per implementare un computer quantistico scalabile e universale. Tuttavia la realizzazione di un computer quantistico universale in grado di surclassare un computer tradizionale rappresenta, con le tecnologie attuali, una sfida ancora aperta. La comunità scientifica ha quindi identificato, come obiettivo intermedio verso un computer quantistico universale, la realizzazione di una piattaforma tecnologica in grado di superare qualsiasi dispositivo classico nella risoluzione di uno specifico problema computazionale (anche privo di applicazioni pratiche). Tale scenario è stato denominato “quantum supremacy/quantum advantage“ (https://www.nature.com/articles/%20d41586-019-03781-0). Negli ultimi anni si sono seguite prevalentemente due strategie per dimostrare il regime di quantum advantage: 1) il Random Quantum Circuit e 2) il Boson Sampling (https://www.nature.com/articles/nature23458).

1) Il Random Quantum Circuit si basa sulla misura degli stati di uscita (ovvero nel campionamento della distribuzione di probabilità associata) generati da un circuito quantistico random, ed è stato implementato nel 2019 da Google con il processore quantistico Sycamore basato su 53 qubit superconduttori (https://www.nature.com/articles/%20s41586-019-1666-5). Tuttavia successivi miglioramenti nella simulazione classica dello stesso processo hanno aperto un ampio dibattito scientifico sulla effettiva dimostrazione della supremazia quantistica fornita da Google. In particolare nelle ultime settimane ricercatori in Cina hanno eseguito il medesimo calcolo in poche ore con normali processori. Secondo le loro predizioni un supercomputer potrebbe quindi battere Sycamore in maniera definitiva. Questi risultati dimostrano la necessità di ulteriori sviluppi tecnologici per dimostrare il vantaggio quantistico sperimentale. (https://www.science.org/content/article/ordinary-computers-can-beat-google-s-quantum-computer-after-all).

2) Il Boson Sampling (BS) è considerato un altro approccio promettente per ottenere un inequivocabile vantaggio computazionale. Il Boson Sampling consiste nel campionamento dalla distribuzione di bosoni indistinguibili non interagenti che si sono propagati mediante una trasformazione unitaria casuale (fig. 1). La difficoltà nella simulazione di tale sistema è strettamente connessa agli effetti di interferenza quantistica dovuti all’indistinguibilità delle particelle (https://www.spiedigitallibrary. org/journals/advanced-photonics/volume-1/issue-03/034001/Photonic-implementation-of-boson-sampling-a-review/10.1117/1.AP.1.3.034001.full?SSO=1). Alla fine del 2020, il gruppo di ricerca di Jan Wei Pan in Cina ha raggiunto per la prima volta il regime di quantum advantage con una piattaforma fotonica (https://www.science.org/doi/10.1126/science.a0be8770) sfruttando lo schema del Gaussian Boson Sampling, una variante del protocollo iniziale. Tuttavia questa prima dimostrazione aveva alcuni limiti nella programmabilità del dispositivo e nell’effettiva superiorità rispetto ad un calcolatore classico. Molto recentemente, la startup canadese Xanadu ha pubblicato su Nature la dimostrazione del vantaggio computazionale quantistico utilizzando il dispositivo Borealis, un processore fotonico che offre una programmabilità dinamica su tutte le porte logiche implementate. Borealis si basa anch’esso sul Gaussian Boson Sampling (GBS) e utilizza una particolare architettura con time-multiplexing di impulsi ottici e rivelatori photon-number-resolving. Secondo le previsioni degli autori ci vorrebbero più di 9000 anni perché i migliori algoritmi e supercomputer disponibili producano un singolo campione dalla distribuzione programmata, mentre Borealis richiede solo 36 $\mu$s (https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x). Borealis è adesso disponibile su cloud per sperimentare in maniera aperta le proprie potenzialità e limiti (https://www.xanadu.ai/products/borealis). Una questione ancora in via di definizione è la possibilità di sfruttare il GBS per compiti computazionali con ricadute pratiche di rilievo. Chiaramente bisognerà aspettare diversi mesi per vedere se il claim di quantum advantage resisterà ai diversi tentativi di simulare lo stesso processo con supercomputers classici, analogamente a quanto successo con Sycamore. È questo un settore di ricerca in rapida evoluzione che richiede ulteriori progressi sia teorici che tecnologici.