«Sarà entusiasmante vedere per la prima volta una macchina quantistica superare la più potente macchina classica nella soluzione di un problema». Così parlava a giugno del 2016 Chao-Yang Lu, ricercatore alla University of Science and Technology of China (USTC) a Hefei in un'intervista su Nature. La prestigiosa rivista britannica aveva dedicato il numero di quella settimana all'ascesa della Cina in campo scientifico e Chao-Yang Lu figurava tra i dieci ricercatori più promettenti, con l'appellativo di "mago dei quanti". Poco più di quattro anni dopo quell'intervista, la sua affermazione è diventata realtà. In un articolo pubblicato su Science la scorsa settimana Chao-Yang Lu, insieme al suo mentore Jian-Wei Pan, spesso chiamato "il padre dei quanti" dai media cinesi, e a un nutrito gruppo di collaboratori, ha dimostrato la cosiddetta "supremazia quantistica" (o "vantaggio quantistico") con un apparato costituito da fotoni. La supremazia quantistica è sostanzialmente la caratteristica di un computer quantistico di svolgere un compito in maniera clamorosamente più veloce rispetto a un computer classico.

What I said more than four years ago will appear in arXiv tomorrow pic.twitter.com/7Xwx3NddlY

— Chao-Yang Lu (@chaoyanglu) December 3, 2020

Il gruppo di Chao-Yang Lu ha mostrato con un sistema di laser, prismi, specchi e rilevatori di singoli fotoni, di saper campionare dalla distribuzione di probabilità associata a un sistema di 76 fotoni che interagiscono fra loro in circa 200 secondi (esperimento che spiegheremo più avanti nel testo). I ricercatori hanno stimato che, utilizzando il più potente supercomputer cinese TaihuLight per svolgere lo stesso compito, sarebbero necessari 2,5 miliardi di anni, un tempo centomila miliardi di volte più lungo (circa 4 ×10¹⁴ volte il tempo impiegato dal computer quantistico). Bisogna osservare che si tratta di una stima estrapolata dal tempo che è stato necessario per calcolare la distribuzione di probabilità associata a sistemi di 40 fotoni. Oltre quel limite non è possibile spingersi con nessun calcolatore classico.

«Un risultato tecnicamente notevolissimo e dal contenuto concettuale molto importante», commenta Fabio Sciarrino, professore al Dipartimento di Fisica della Sapienza, Università di Roma, che proprio su questi temi ha da poco avvitato un progetto finanziato con un ERC Advanced Grant in collaborazione con l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR e l'International Iberian Nanotechnology Laboratory.

Ma è la prima volta che viene dimostrata la supremazia quantistica, come auspicato dal giovane ricercatore cinese nel 2016? Difficile rispondere a questa domanda. Sicuramente è la prima volta che il problema viene affrontato con un sistema di fotoni. Esiste infatti un precedente, che risale all'ottobre del 2019, quando un gruppo di ricercatori di Google ha usato un chip quantistico chiamato Sycamore, costituito da 53 circuiti superconduttori, per risolvere in tre minuti e mezzo un problema che avrebbe richiesto diecimila anni di calcolo a un supercomputer classico. Questa conclusione è stata contestata poco tempo dopo dai ricercatori di IBM, rivale di Google nel campo della computazione quantistica, che hanno ipotizzato l'esistenza di un metodo di ottimizzazione del calcolo che permetterebbe a SUMMIT, il supercomputer ospitato dall'Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, di farcela in due giorni e mezzo. Difficile dire, insomma, se si tratti della prima dimostrazione della supremazia quantistica in assoluto. «Credo che un risultato rafforzi l'altro più che metterne in discussione l'importanza», commenta Sciarrino.

L'inizio della computazione quantistica. Negli anni '80 il fisico Richard Feynmann, vincitore del premio Nobel nel 1985, propose l'idea che un computer quantistico, ovvero un computer in cui i bit sono sostituiti con una loro versione quantistica, chiamata qubit, potesse diventare uno strumento utile a risolvere problemi nel campo della fisica e della chimica che richiedevano la simulazione di sistemi costituiti da tante particelle interagenti tra loro in modo quantistico. I computer classici non erano adatti al compito, visto che il tempo necessario a risolvere questi problemi cresce esponenzialmente con il numero di particelle interagenti. Il vantaggio di un computer quantistico deriva dalla possibilità di codificare molta più informazione in un qubit rispetto a quanto sarebbe possibile in un bit. Se un bit può avere due soli valori, '0' oppure '1', un qubit può trovarsi in uno degli infiniti stati che si ottengono sovrapponendo '0' e '1'. Questo equivale a dire che il qubit vale '0' e '1' "contemporaneamente". Una misura del suo stato lo costringerà in uno dei due valori '0' o '1', una delle proprietà fondamentali della meccanica quantistica. Entrambi i risultati sono possibili, ma hanno probabilità diverse che dipendono dal peso che '0' e '1' hanno nello stato di sovrapposizione in cui si trova il qubit prima della misura.

Ci si è chiesti poi se un sistema di calcolo basato su interazioni di tipo quantistico potesse essere utile per affrontare problemi al di fuori della fisica o della chimica. Nel 1994 il matematico americano Peter Shor inventò un algoritmo quantistico per trovare i fattori primi di un numero intero, dimostrando che questo algoritmo impiega un tempo che è polinomiale nella dimensione del numero da fattorizzare (dove per dimensione si intende il numero di bit necessari a rappresentarlo). Finora però è stato possibile implementare l'algoritmo di Shor solo su macchine con un numero molto limitato di qubit, riuscendo al massimo a scomporre in fattori primi il numero 21. Chiaramente questo non è sufficiente a dimostrare la supremazia quantistica, visto che siamo capaci di trovare a mente i due fattori primi di 21, 3 e 7. La difficoltà sta nel fatto che non appena si prova a implementare l'algoritmo di Shor con un numero maggiore di qubit per cercare di scomporre numeri più grandi, si cade vittima di diverse forme di rumore quantistico che rendono il sistema altamente instabile e inaffidabile. Il problema della ricerca dei fattori primi ha un interesse pratico molto importante, visto che uno dei protocolli di crittografia più utilizzati si basa proprio sulla difficoltà di questo calcolo per numeri molto grandi.

Cos'è la "supremazia quantistica". La computazione quantistica sembrava dunque attraversare una stagione negativa, incapace di saper realizzare le sue applicazioni pratiche più promettenti. Un impeto positivo è arrivato nel 2011, quando John Preskill, professore alla Caltech University dove dirige l'Institute for Quantum Information and Matter, ha proposto il concetto di "supremazia quantistica", intervenendo alla venticinquesima Solvay Conference on Physics¹. Come spiega lo stesso Preskill in un articolo scritto per Quantamagazine nel 2019, la "supremazia quantistica" indica il caso in cui i computer quantistici sono capaci di svolgere dei compiti che sono fuori dalla portata dei computer classici, indipendentemente dal fatto che questi siano compiti di interesse pratico (parlando più tecnicamente, per dimostrare la supremazia quantistica di un certo hardware è richiesto di provare che il tempo che gli è necessario per risolvere un problema che ha un input di dimensione n cresce come un polinomio di grado n, mentre per un computer classico cresce esponenzialmente o comunque più velocemente che un polinomio di grado n). L'intenzione di Preskill era quella di stimolare dei progressi nel campo, individuando degli obiettivi raggiungibili, piuttosto che continuare a inseguire traguardi evidentemente ancora fuori dalla portata degli esperimenti. Come vedremo, è riuscito nel suo intento.

La definizione di Preskill è del tutto generale e non indica né che tipo di computer classico e quantistico dovrebbero essere confrontati, né che tipo di problema dovrebbe essere risolto. Per provare ad attaccare il problema della supremazia quantistica sono necessari quattro ingredienti fondamentali. Il primo è un problema che abbia una complessità computazionale opportuna (esponenziale per un computer classico e polinomiale per un computer quantistico). Il secondo è un algoritmo classico che funzioni da riferimento da battere e identifichi la dimensione dell'input oltre la quale il computer quantistico comincia a mostrare la sua superiorità. Il terzo ingrediente è costruire un hardware capace di funzionare sufficientemente bene oltre quella soglia. Il quarto e ultimo ingrediente, niente affatto banale, è quello di sviluppare metodi per validare il risultato ottenuto con la macchina quantistica. Infatti, visto che non esiste alcuna macchina classica in grado di riprodurre il risultato in tempi utili, è importante avere strategie per provare che l'output del computer quantistico sia corretto, pur ammettendo un certo grado di approssimazione.

La prima dimostrazione. Come abbiamo anticipato, la prima dimostrazione della supremazia quantistica è arrivata poco più di un anno fa, quando un gruppo di ricercatori di Google ha pubblicato su Nature i risultati di un esperimento di campionamento su un sistema chiamato "random quantum circuit". Il problema può essere equiparato al campionamento dalla distribuzione dei prodotti di un generatore quantistico di numeri casuali².

Il chip Sycamore utilizzato dal gruppo di Google è infatti un reticolo quadrato sui cui vertici sono posizionati dei circuiti superconduttivi, 53 in totale, che a temperature dell'ordine di -270°C si comportano come qubit. Questi sono connessi a coppie da componenti che potremmo equiparare alle porte logiche della computazione classica, e il modo in cui queste porte sono distribuite sul reticolo a ogni iterazione dell'esperimento cambia in maniera casuale.

don't guess. here is the goal. in 2 months, go to 80+ photons and 144 modes. by the end of 2021, demo a practical use.

— Chao-Yang Lu (@chaoyanglu) December 5, 2020