Computer quantistici sul banco di prova

D-Wave - una speciale macchina di calcolo con questo nome ha suscitato scalpore tra gli informatici e i fisici per diversi anni. L'omonima azienda canadese di produzione candida la macchina come computer quantistico. Se la macchina utilizzi effettivamente gli effetti quantistici, tuttavia, è oggetto di un dibattito controverso tra gli esperti. Se così fosse, D-Wave sarebbe probabilmente il primo computer quantistico al mondo disponibile in commercio.

L'azienda ha venduto il suo sistema a clienti illustri, alimentando ulteriormente l'interesse della comunità scientifica, dei blogger e dei giornalisti. La prima macchina è stata acquistata nel 2011 dall'azienda di difesa americana Lockheed Martin, che l'ha messa a disposizione per i test della University of Southern California di Los Angeles. L'anno scorso Google ne ha acquistata una seconda. D-Wave è in grado di risolvere alcuni problemi matematici, noti come problemi di ottimizzazione, cercando e trovando lo stato di minore energia in un sistema. La tecnologia è quindi interessante per queste aziende.

Un dispositivo analogico, non un computer quantistico

Tuttavia, D-Wave non è solo controverso se la macchina utilizzi effettivamente gli effetti quantistici. Scienziati e blog hanno anche espresso dubbi sul fatto che la macchina possa essere giustamente definita un computer. Si discute anche se calcoli più velocemente di un computer convenzionale. Matthias Troyer, professore presso l'Istituto di Fisica Teorica dell'ETH di Zurigo, ha indagato su queste questioni insieme ai colleghi della University of Southern California di Los Angeles e ha testato il sistema in loco.

Nel loro studio, pubblicato sulla rivista Nature Physics, il team di ricerca svizzero-americano trae una conclusione differenziata. Gli scienziati confermano che il D-Wave utilizza effettivamente effetti quantistici. Tuttavia, i ricercatori sono più critici su altri punti: "D-Wave è un dispositivo analogico, un prototipo che può essere utilizzato per risolvere problemi di ottimizzazione. Potrebbe essere descritto più accuratamente come un esperimento di simulazione quantistica programmabile", afferma Troyer, riconosciuto a livello internazionale come esperto del settore. "D-Wave non è certo un computer quantistico universale".

Effetti quantistici, ma solo a breve termine

I ricercatori sono arrivati ai loro risultati scrivendo un migliaio di compiti computazionali di varia complessità e risolvendoli mille volte ciascuno su tre sistemi: una volta su D-Wave e due volte su un programma di simulazione per problemi di ottimizzazione che girava su un computer convenzionale. Il programma di simulazione funzionava in due modalità: una volta tenendo conto degli effetti quantistici e una volta senza. Per ogni compito, gli scienziati hanno annotato la frequenza con cui il sistema forniva la soluzione corretta. ? emerso che D-Wave si comportava allo stesso modo della simulazione che teneva conto degli effetti quantistici, ma in modo diverso dalla simulazione che non ne teneva conto.

Questo risultato ha stupito gli scienziati, perché gli effetti quantistici della D-Wave sono estremamente brevi e durano solo pochi miliardesimi di secondo. La fisica si riferisce a questo tempo come al tempo di coerenza. Poiché in genere ci vogliono circa 500 volte di più per risolvere un problema di ottimizzazione, la maggior parte degli esperti riteneva che gli effetti quantistici non potessero avere un ruolo nel D-Wave. Ma è così, come concludono i ricercatori dai loro risultati. "Ovviamente, gli effetti quantistici non devono necessariamente essere sempre coerenti per essere significativi", spiega Troyer.

Non più veloce di un computer convenzionale

Se si considera che i computer quantistici sono oggetto di ricerca soprattutto perché si prevede che aumenteranno massicciamente la velocità di calcolo, un'altra conclusione dei ricercatori ha un peso particolare: D-Wave non è più veloce di un computer convenzionale.

La velocità di D-Wave è stata oggetto di un intenso dibattito tra gli esperti, soprattutto da quando, nel maggio dello scorso anno, una pubblicazione di un informatico dell'Amherst College ha fatto scalpore. Secondo l'articolo, D-Wave è diverse migliaia di volte più veloce di un computer convenzionale, a seconda del compito di calcolo. Il ricercatore ha studiato una versione di D-Wave che corrisponde quasi alla versione attuale, esistente da un anno, con una capacità di calcolo di 512 bit quantistici (qubit). Lo studio dei ricercatori dell'ETH, invece, si basa sulla versione precedente con 108 qubit.

"Non solo abbiamo dimostrato che un computer classico è più veloce della versione a 108 bit di D-Wave", afferma Troyer. "Se si confrontano questi risultati con quelli del ricercatore dell'Amherst College, risulta chiaro che D-Wave è sempre più lento di un computer classico nei test effettuati". Secondo Troyer, il problema dello studio di Amherst è che ha confrontato algoritmi veloci per D-Wave con algoritmi più lenti per computer tradizionali. "Noi abbiamo sviluppato algoritmi ottimizzati per i computer tradizionali. Questo ci permette di battere D-Wave anche nella versione attuale a 512 qubit", dice Troyer. "Al momento nessuno sa se un futuro sistema quantistico come D-Wave con più qubit avrà dei vantaggi rispetto ai sistemi classici. ? una domanda importante che stiamo attualmente indagando con esperimenti sulla macchina a 512 qubit".