Cos'è il supercomputing quantum-centrico?

Un supercomputer quantum-centrico è una connessione di nuova generazione di un computer quantistico con un supercomputer classico che utilizza algoritmi di mitigazione e correzione degli errori per produrre risultati in tempo di esecuzione pratici.

Nell'era del quantum computing si prevede che il supercomputing quantum-centrico aiuterà i ricercatori a compiere importanti progressi nei campi delle scienze dei materiali, del machine learning, dell'AI generativa, dell'elevata energia fisica e altro ancora, potenzialmente prima dei sistemi completamente quantistici su larga scala.

Un supercomputer quantum-centrico completamente realizzato utilizza un middleware avanzato per integrare i circuiti quantistici con le risorse informatiche classiche. I supercomputer quantum-centrici basati sull'architettura IBM® Quantum System Two, gli elementi costitutivi del supercomputing quantum-centrico, combinano la tecnologia quantistica con i supercomputer tradizionali per integrare e migliorare le prestazioni di entrambi gli elementi. 

Nel 1994, il matematico del MIT Peter Shor ha scoperto un algoritmo in grado di dividere grandi numeri in fattori primi in modo esponenzialmente più veloce dei migliori algoritmi classici, utilizzando un ipotetico computer quantum. Due anni dopo, Lov Grover ha scoperto un algoritmo quantistico che può cercare un database più velocemente di un algoritmo di ricerca classico. Queste scoperte hanno accelerato notevolmente l'interesse per il quantum computing. 

Shor e Grover hanno dimostrato, almeno a livello teorico, che un utile computer quantistico può elaborare determinati workload complessi più velocemente dei metodi classici, centinaia di migliaia di anni più velocemente. Anche i supercomputer più avanzati al mondo, come quelli utilizzati nei data center e nelle università di alto profilo, non sono in grado di elaborare workflow quantistici di grandi dimensioni abbastanza velocemente. 

Non più teorici, i processori quantum come IBM® Quantum Heron hanno dimostrato la fattibilità del quantum computing. Tuttavia, i computer quantistici di oggi sono limitati da ostacoli come il numero di qubit con cui possono elaborare e gli errori innati nell'hardware quantistico.

Il supercomputing quantum-centrico combina i punti di forza del quantum e del calcolo classico, utilizzando le proprietà uniche dei qubit per eseguire calcoli altrimenti non fattibili per i sistemi classici. Questo approccio mira a superare i limiti del classico calcolo ad alte prestazioni introducendo i computer quantistici nei workflow esistenti, migliorando così l'efficienza e la capacità computazionale di entrambi i tipi di sistemi.

Di seguito sono riportate alcune delle principali differenze tra l'HPC e il supercomputing quantistico:

HPC tradizionale:

• Costruito sull'architettura informatica classica
• Limitato dall'elaborazione binaria e dalla scalabilità lineare

Supercomputing quantum-centric:

• Include quantum computer per utilizzare risorse quantistiche e classiche in workload parallelizzati
• Ottimizzato per orchestrare il lavoro tra i cluster di computing dei computer quantistici e HPC nello stesso data center o nel cloud
• Offre accelerazioni potenzialmente esponenziali e una potenza di elaborazione superiore a quella che il quantum o il computing classico possono fornire per determinati problemi

Poiché il quantum computing continua a progredire rapidamente, prevediamo che il supercomputing quantum-centrico sarà un ponte fondamentale per raggiungere il vantaggio quantistico, la pietra miliare in base alla quale i ricercatori misurano se una macchina quantistica può superare l'hardware classico che simula un sistema quantistico o qualsiasi altro metodo classico per risolvere un problema pratico. Tuttavia, non si prevede che il quantum computing possa sostituire completamente l'informatica classica. Invece, i supercomputer quantum-centrici combinano computer quantistici e classici, dove ogni tipo di sistema collabora per eseguire calcoli superiori a quelli possibili con uno dei due sistemi da solo.

A livello globale, diverse strutture di supercomputer hanno già iniziato a incorporare hardware di calcolo quantistico, tra cui il tedesco Jupiter, il giapponese Fugaku e il polacco PSNC. Nell'ambito della IBM® Quantum Roadmap, IBM spera di costruire supercomputer quantistici con migliaia di qubit logici entro il 2033.

A differenza dei computer tradizionali, i quantum computer utilizzano le qualità fondamentali della fisica quantistica per risolvere potenzialmente problemi complessi. I quattro principi chiave dei quantum computer sono i seguenti:

• Superposizione: la sovrapposizione è lo stato in cui una particella o un sistema quantistico può rappresentare non solo una possibilità, ma una combinazione di più possibilità.
• Entanglement: l'entanglement è il processo in cui più particelle quantistiche vengono correlate in modo più forte di quanto consenta la normale probabilità.
• Decoerenza: la decoerenza è il processo in cui le particelle e i sistemi quantistici possono decadere, collassare o cambiare, convertendosi in singoli stati misurabili dalla fisica classica.
• Interferenza: l'interferenza è il fenomeno in cui gli stati quantistici entangled possono interagire e produrre probabilità più e meno veritiere.

Mentre i computer classici si basano su bit binari (zero e uno) per memorizzare ed elaborare i dati, i computer quantistici possono codificare ancora più dati in una sola volta, utilizzando bit quantum (qubit) in sovrapposizione. 

Un qubit può comportarsi come un bit tradizionale e memorizzare un valore pari a zero o uno, ma il suo potere deriva dalla sua capacità di memorizzare sovrapposizioni: una combinazione ponderata di zero e uno allo stesso tempo. Se combinato, un set di qubit sovrapposti può memorizzare più informazioni rispetto allo stesso numero di bit. Tuttavia, ogni qubit può dare come risultato solo un singolo bit di informazioni alla fine del calcolo. Gli algoritmi quantistici funzionano memorizzando e manipolando le informazioni in un modo inaccessibile ai computer classici, il che può velocizzare determinati problemi.

Il controllo dei qubit richiede un hardware delicato, sensibile alle interferenze e che deve essere mantenuto a temperature estremamente fredde. I ricercatori del quantum utilizzano la refrigerazione criogenica per mantenere i qubit a temperature più fredde del vuoto dello spazio. 

Attualmente, l'hardware quantistico è costoso, ingombrante e soggetto a errori. Mentre i ricercatori lavorano quotidianamente per affrontare le sfide legate alla costruzione di computer quantistici più grandi, il quantum computing non è previsto che sostituisca completamente l'informatica tradizionale in tempi brevi, sempre che ciò avvenga, perché il quantum computing è più adatto per alcuni problemi complessi.

In pochi minuti, un computer quantistico può potenzialmente risolvere un problema di simulazione che richiederebbe centinaia di migliaia di anni a un supercomputer tradizionale. Questa accelerazione delle prestazioni, nota come vantaggio quantistico, per ora è stata dimostrata solo teoricamente. Tuttavia, i computer quantistici IBM hanno già dimostrato l'utilità del quantum, la capacità di risolvere problemi su una scala che va oltre la simulazione brute force classica. 

Il quantum computing si basa sui principi della meccanica quantistica, che descrivono come le particelle subatomiche si comportano in modo diverso dalla fisica a livello macro. Tuttavia, poiché la meccanica quantistica fornisce le leggi fondamentali per il nostro intero universo, su un livello subatomico, ogni sistema è un sistema quantistico.

Per questo motivo possiamo dire che, sebbene anche i computer convenzionali siano costruiti su sistemi quantistici, non riescono a utilizzare appieno le proprietà quantistiche durante i loro calcoli. I computer quantistici utilizzano meglio la meccanica quantistica per eseguire calcoli che nemmeno i computer ad alte prestazioni sono in grado di eseguire. 

I modelli di calcolo classici utilizzano stringhe di cifre binarie (bit) per ridurre tutte le informazioni in codice binario composto da zero e uno. Utilizzando una serie di semplici porte logiche, come AND, OR, NO e NAND, possiamo elaborare queste informazioni per eseguire calcoli avanzati. Tuttavia, ogni porta logica può agire solo su uno o due bit alla volta. Determiniamo lo "stato" di un computer classico in base agli stati di tutti i suoi bit. I computer classici utilizzano transistor e semiconduttori per memorizzare ed elaborare le informazioni binarie. 

I quantum computer utilizzano un tipo speciale di hardware quantistico chiamato unità di elaborazione quantistica (QPU) per memorizzare e processare i dati in modo diverso. I computer classici utilizzano transistor per memorizzare bit di informazione, ma i computer quantistici utilizzano qubit tipicamente costituiti da particelle quantistiche (quelle che si comportano come i più piccoli mattoni noti dell'universo fisico). A differenza dei bit tradizionali, i qubit contengono più di due stati di informazione.

Mentre un computer digitale può trovarsi in un solo stato, i qubit di un computer quantum possono trovarsi in molti stati logici contemporaneamente durante un calcolo. Questo fenomeno è noto come sovrapposizione: una terza posizione che rappresenta lo zero, l'uno e tutte le posizioni intermedie in base a una probabilità. Alla fine del calcolo, ogni qubit assumerà il valore zero o uno con una probabilità corrispondente al suo contributo alla sovrapposizione.

Diversi tipi di qubit sono migliori per diversi casi d'uso e sistemi. IBM utilizza qubit superconduttori favoriti per la velocità e il controllo preciso. I qubit costituiti da fotoni (singole particelle di luce) sono comunemente utilizzati nella comunicazione quantum e nella crittografia quantistica. Altri tipi di qubit includono ioni intrappolati, atomi neutri e singoli elettroni trattenuti da piccoli semiconduttori noti come quantum dot.  

Al centro di un supercomputer quantum-centrico c'è l'unità di elaborazione quantistica (QPU). La QPU di IBM include l'hardware che prende i circuiti di input e output, nonché un chip semiconduttore multistrato inciso con circuiti superconduttori. Sono questi circuiti che contengono i qubit usati per eseguire i calcoli e le porte che eseguono le operazioni su di essi. I circuiti sono divisi in uno strato con i qubit, uno strato con risonatori per la lettura e più strati di cablaggio per input e output. La QPU comprende anche le Interconnessioni, gli amplificatori e i componenti di filtraggio del segnale.

Il tipo di qubit fisico utilizzato da IBM è costituito da un condensatore superconduttore collegato a componenti chiamati giunzioni Josephson che si comportano come induttori non lineari senza perdite. A causa della natura superconduttiva del sistema, la corrente che scorre attraverso le giunzioni Josephson può assumere solo valori specifici. Le giunzioni Josephson distanziano inoltre quei valori specifici in modo che solo due di questi valori siano accessibili.

Il qubit viene quindi codificato nei due valori più bassi della corrente, che diventano zero e uno (o come sovrapposizione di zero e uno). I programmatori modificano gli stati dei qubit e accoppiano i qubit tra loro con istruzioni quantum, comunemente note come gate. Si tratta di una serie di forme d'onda a microonde appositamente realizzate. 

Per mantenere i qubit in funzione alla temperatura richiesta, alcuni dei componenti QPU devono essere tenuti all'interno di un frigorifero a diluizione, che li mantiene freddi utilizzando elio liquido. Altri componenti QPU richiedono un hardware di calcolo classico a temperatura ambiente. Poi, la QPU è collegata all'infrastruttura di tempo di esecuzione, che si occupa anche della mitigazione degli errori e dell'elaborazione dei risultati. Questo è un quantum computer.

L'integrazione di sistemi quantistici e classici è ottenuta tramite middleware e hybrid cloud che facilitano l'interazione perfetta tra i due. Questo approccio ibrido aiuta a garantire che le unità di elaborazione quantum possano essere utilizzate in modo efficace all'interno di computer quantistici connessi a framework esistenti, massimizzandone l'impatto senza la necessità di una revisione completa delle infrastrutture attuali.

Nonostante i recenti progressi, il controllo dei qubit è una sfida importante. Il rumore esterno e il cross-talk tra i segnali di controllo distruggono le fragili proprietà quantum dei qubit, e il controllo di queste fonti di rumore è stato fondamentale per favorire lo sviluppo di utili supercomputer quantum-centrici. 

Oltre ai miglioramenti hardware, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di gestire alcuni rumori utilizzando algoritmi di mitigazione degli errori che analizzano come il rumore del sistema modifica gli output. I ricercatori utilizzano queste informazioni per creare un modello di rumore e quindi utilizzano il calcolo classico per decodificare un risultato privo di rumore basato sulle previsioni del modello. La mitigazione degli errori quantistici fa parte del percorso continuo che porterà l'hardware quantistico di oggi ai quantum computer tolleranti ai guasti di domani.

Nel seguente video, i ricercatori di IBM® Quantum Andrew Eddins e Youngseok Kim spiegano il ruolo cruciale che la mitigazione degli errori svolgerà nel raggiungimento di un'utile quantum computing a breve termine.

A differenza della mitigazione degli errori, in cui la post-elaborazione applica correzioni al rumore dopo un calcolo, la correzione degli errori quantistici può rimuovere il rumore in tempo reale durante l'elaborazione, senza la necessità di creare prima un modello di rumore specifico. Anche se efficace fino a un certo punto, la mitigazione degli errori è limitata nelle dimensioni. Con l'aumento della complessità dei circuiti quantistici, la correzione degli errori rimane efficace nei sistemi su larga scala.

La correzione degli errori quantistici richiede numerose risorse, come ad esempio più qubit e più porte in un circuito. L'elaborazione con più qubit richiede molti più qubit per la correzione degli errori. Hardware migliori e codici di correzione degli errori più efficaci stanno rendendo la correzione degli errori sempre più una realtà. All'inizio di quest'anno, IBM ha pubblicato un nuovo tipo di memoria per la correzione degli errori che può essere implementata su computer quantistici a breve termine.

Il circuit knitting è una tecnica che scompone un problema di quantum computing in più problemi e quindi li esegue in parallelo su diversi processori quantum. I computer Quantum e classici combinano con precisione i Risultati dei singoli circuiti per arrivare a un risultato conclusivo. Il circuit knitting consente ai ricercatori quantum di eseguire i circuiti quantum in modo molto più efficiente incorporando il calcolo classico con l'elaborazione quantum. 

Le concezioni comuni dei "computer quantistici" spesso prevedono una singola QPU, che utilizza milioni di qubit fisici, per eseguire programmi in modo indipendente. "Invece", scrive il VP of Quantum e IBM Fellow Jay Gambetta, "immaginiamo computer che incorporano più QPU che eseguono circuiti quantistici in parallelo con computer classici distribuiti". Un'altra tecnica si affida all'informatica classica per la maggior parte del calcolo, salvando solo la parte più quantistica per il processore quantum.

Per raggiungere scale sufficientemente grandi per risolvere i problemi con i quantum computer, è necessaria la correzione degli errori, oltre a QPU più grandi o a QPU multiple collegate. Oltre a Qiskit, il software di quantum computing full-stack di IBM per l'esecuzione di workload quantistici, IBM sta sviluppando anche il middleware per gestire l'accurato collegamento a maglia dei circuiti e il provisioning dinamico delle risorse di calcolo.

I quantum computer eccellono nella risoluzione di alcuni problemi complessi con il potenziale di accelerare l'elaborazione di set di dati su larga scala. Dallo sviluppo di nuovi farmaci all'ottimizzazione della supply chain, fino alla scienza dei materiali e alle sfide del cambiamento climatico, il quantum computing potrebbe essere la chiave per scoperte in diversi settori critici.

• Prodotti farmaceutici: i quantum computer in grado di simulare il comportamento molecolare e le reazioni biochimiche possono accelerare in modo massiccio la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci e trattamenti medici salvavita.

• Chimica: per le stesse ragioni per cui i quantum computer potrebbero avere un impatto sulla ricerca medica, potrebbero anche fornire soluzioni non ancora scoperte per mitigare i sottoprodotti chimici pericolosi o distruttivi. Il quantum computing può condurre a catalizzatori migliori che consentano di avere alternative petrolchimiche o processi migliori per la decomposizione del carbonio, necessari per combattere le emissioni pericolose per il clima.

• Machine learning: con l'aumento dell'interesse e degli investimenti nell'intelligenza artificiale (AI) e in campi correlati come il machine learning, i ricercatori stanno valutando se alcuni algoritmi quantistici potrebbero essere in grado di esaminare i set di dati in un modo nuovo, fornendo un'accelerazione per alcuni problemi di machine learning.

I quantum computer, così come esistono oggi, sono strumenti scientifici utili per eseguire programmi specifici oltre la capacità di brute force delle simulazioni classiche, almeno quando si simulano determinati sistemi quantistici. Tuttavia, nel prossimo futuro, il quantum computing funzionerà in tandem con i moderni e futuri supercomputing classici e mostrerà la sua utilità. I ricercatori quantistici si stanno quindi preparando per un mondo in cui i super computer classici possano utilizzare circuiti quantistici per aiutare a risolvere i problemi.

Le sfide principali che il supercomputing quantistico deve affrontare includono la maturazione del middleware che consente ai computer classici e quantistici di comunicare, nonché le sfide generali che i quantum computer stessi devono affrontare. Prima di ottenere il vantaggio del quantum, gli sviluppatori hanno identificato i seguenti ostacoli chiave da superare.

Un quantum computer a larga scala completamente realizzato richiede milioni di qubit fisici. Tuttavia, i vincoli pratici dell'hardware rendono proibitivo scalare i singoli chip a questi livelli. Come soluzione, IBM sta sviluppando interconnessioni di nuova generazione in grado di spostare informazioni quantistiche su più chip. Questa soluzione offre una scalabilità modulare per raggiungere i qubit necessari per eseguire la correzione degli errori. IBM prevede di dimostrare queste nuove interconnessioni, chiamate coppie L e coupler M, con chip proof-of-concept chiamati rispettivamente Flamingo e Crossbill. Questi coupler sono responsabili del ridimensionamento dei chip. IBM prevede di dimostrare i coupler C entro la fine del 2026 con un chip chiamato Kookaburra. Sono responsabili dell'assistenza nella correzione degli errori.

Mentre i processori quantistici che si basano sui qubit utilizzati nel quantum computing hanno il potenziale di superare enormemente i processori basati su bit, gli attuali processori quantistici possono supportare solo pochi qubit potenziali. Con il progredire della ricerca, IBM prevede di introdurre un sistema quantistico con 200 qubit logici, in grado di eseguire 100 milioni di porte quantistiche entro il 2029, con l'obiettivo di 2.000 qubit logici in grado di eseguire 1 miliardo di porte entro il 2033.  

Sebbene potenti, i qubit sono anche molto soggetti a errori e richiedono grandi sistemi di raffreddamento in grado di creare temperature inferiori a quelle dello spazio esterno. I ricercatori stanno sviluppando modi per scalare qubit, elettronica, infrastruttura e software per ridurre l'impronta, i costi e il consumo di energia.

La coerenza dei qubit è breve ma integrale per generare dati quantistici accurati. La decoerenza, il processo in cui i qubit non funzionano correttamente e producono risultati imprecisi, è un grosso ostacolo per qualsiasi sistema quantum. La correzione degli errori quantistici richiede la codifica delle informazioni quantistiche in più qubit di quelli di cui avremmo altrimenti bisogno. Nel 2024, IBM ha annunciato un nuovo e rivoluzionario codice di correzione degli errori, circa 10 volte più efficiente rispetto ai metodi precedenti. Sebbene la correzione degli errori non sia un problema risolto, questo nuovo codice segna un percorso chiaro verso l'esecuzione di circuiti quantistici con un miliardo di porte logiche o più. 

Il vantaggio quantistico richiede due componenti. Il primo è costituito da circuiti quantistici realizzabili, e il secondo è un mezzo per dimostrare che questi circuiti sono il modo migliore per risolvere un problema quantistico rispetto a qualsiasi altro metodo all'avanguardia. La scoperta di algoritmi quantistici è ciò che porterà le attuali tecnologie dall'utilità quantistica al vantaggio quantistico. 

Il fulcro della scoperta di algoritmi quantistici si basa su uno stack altamente performante e stabile per scrivere, ottimizzare ed eseguire programmi quantum. Il Qiskit di IBM è di gran lunga il software quantistico più utilizzato al mondo. È basato su Python e composto da SDK open source e strumenti e servizi di supporto, utili per le esecuzioni sia sulla flotta di computer quantistici superconduttori di IBM che su sistemi che utilizzano tecnologie alternative, come gli ioni intrappolati nei campi magnetici o l'annealing quantistico.