A quali risultati scientifici sei arrivato nel tuo studio? Per quali tipi di problemi è più probabile che i computer quantistici siano più veloci?
Torsten Hoefler: Abbiamo confrontato le prestazioni di un chip classico leader di mercato con un chip quantistico progettato in modo ottimistico, ciascuno per lo stesso problema. In questo modo, siamo i primi ad aver identificato cosa è esattamente necessario ai computer quantistici per ottenere un reale vantaggio in termini di velocità. La nostra analisi mostra che con quasi tutti gli algoritmi, il computer classico è più veloce per problemi di dimensioni molto piccole e il computer quantistico è più veloce per problemi di dimensioni molto grandi.
Questo perché il tempo per risolvere determinati problemi su un computer quantistico cresce più lentamente con la dimensione dei problemi rispetto ai computer classici (vedi grafico). Questo è ciò che chiamiamo accelerazione quantistica. Vediamo anche che, in generale, i computer quantistici sono relativamente più veloci e più pratici per problemi di “big compute” su piccoli dati, ma non sono pratici per problemi di big data.
A causa delle limitazioni della larghezza di banda di input e output, i big data sono un problema che i computer classici calcolano più velocemente. Inoltre, i computer classici risolvono anche un problema di ricerca in un database più velocemente di un computer quantistico. Pertanto, il calcolo quantistico è stato falsamente pubblicizzato nel contesto dei big data.
Una delle tue scoperte è che la “velocità quadratica” non è abbastanza buona per i computer quantistici per sfruttare davvero i loro potenziali vantaggi di accelerazione.
Torsten Hoefler: Nel nostro studio dimostriamo che accelerazioni quadratiche, che riducono il tempo di calcolo prendendo la radice quadrata del tempo di esecuzione di un algoritmo, non sono sufficienti per un vantaggio quantistico pratico nel prossimo futuro. Vediamo che se viene implementato solo lo speedup quadratico, per molti problemi il calcolo quantistico richiederà ancora diversi mesi, il che sarebbe troppo lento e troppo costoso in pratica.
Da ciò deriviamo che sono necessarie accelerazioni almeno cubiche o quartiche basate sulla terza e sulla quarta radice, perché solo allora sono possibili migliaia o milioni di operazioni di calcolo. Ma anche accelerazioni cubiche o quartiche sono solo il requisito più basso. È necessario concentrarsi sulle accelerazioni esponenziali, dove il tempo di esecuzione dell’algoritmo quantistico è il logaritmo del tempo di esecuzione dell’algoritmo classico. Pertanto, i candidati più promettenti per ottenere reali vantaggi quantistici pratici sono problemi di piccoli dati con accelerazione esponenziale.
Cosa deve essere fatto in modo diverso per ottenere alla fine un vero calcolo quantistico ad alta velocità?
Torsten Hoefler: Una chiave decisiva per realizzare l’accelerazione quantistica sono gli algoritmi quantistici più innovativi. Senza significativi miglioramenti algoritmici, è improbabile che un’ampia gamma di applicazioni spesso citate porti a un vantaggio quantistico pratico. Da un punto di vista pratico, la maggior parte degli algoritmi quantistici che abbiamo oggi non consente reali accelerazioni quantistiche.
Anche se sappiamo che gli algoritmi cubici, quartici o esponenziali comportano accelerazioni quantistiche più elevate rispetto agli algoritmi quadratici, la situazione reale è ancora che oggi non conosciamo molti algoritmi di accelerazione cubica o quartica. Attualmente, molti algoritmi di accelerazione quantistica si basano sull’accelerazione quantistica quadratica, basata sul noto algoritmo di Grover.
Sosteniamo che progettare più algoritmi in stile Grover non sia sufficiente. Per sviluppare nuovi algoritmi quantistici che facciano davvero la differenza, la ricerca algoritmica deve concentrarsi su algoritmi che consentano un’elevata velocità quantistica nella pratica. Altrimenti, i computer quantistici potrebbero non superare i dispositivi più veloci dei computer classici.
Cosa è richiesto agli informatici per ottenere una vera accelerazione quantistica?
Torsten Hoefler: Dobbiamo inventare nuovi algoritmi quantistici ad alta velocità. La grande sfida è che ora abbiamo solo una manciata di algoritmi quantistici fondamentali, come l’algoritmo di Grover o l’algoritmo di Shor, che sono ampiamente usati in chimica o crittografia.
Ovviamente, è molto difficile sviluppare nuovi algoritmi fondamentali. Poiché la meccanica quantistica è un concetto matematico complesso, capire come tradurlo in utili algoritmi quantistici è una vera impresa. Come regola generale, circa ogni decennio viene sviluppato un algoritmo fondamentale.
Quali sono i prossimi passi nella progettazione di algoritmi quantistici, in particolare all’ETH di Zurigo?
Torsten Hoefler: Abbiamo bisogno di più informatici e matematici per ricercare nuovi algoritmi quantistici. Finora, è molto difficile trovare eccellenti scienziati di algoritmi quantistici.
Un’enorme opportunità è combinare questa esigenza con la missione di insegnamento dell’ETH di Zurigo e incoraggiare la prossima generazione di scienziati ad approfondire la progettazione di algoritmi quantistici. E avere un Quantum Center ci permette di raggruppare naturalmente matematici, informatici attorno a fisici e ingegneri per collaborare su computer quantistici. Questa è l’opportunità per l’ETH di Zurigo.
Riferimento
Hoefler, T, Häner, T, Troyer, M. Districare l’hype dalla praticità: sul raggiungimento realistico di un vantaggio quantistico. In: Comunicazioni dell’ACM, maggio 2023, vol. 66 n. 5, pagine 82-87, DOI: pagina esterna10.1145/3571725.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
