I ricercatori cinesi hanno pubblicato su arXiv uno studio in cui riportano che il computer quantistico Zuchongzhi 3.0 ha completato un’operazione computazionale che richiederebbe al supercomputer più veloce del mondo, Frontier, oltre 6,4 miliardi di anni.
Il sistema Zuchongzhi 3.0 vanta 105 qubit con un’elevata fedeltà operativa e ha eseguito un campionamento casuale di circuiti con 83 qubit in pochi secondi, superando i benchmark stabiliti dal processore Sycamore di Google.
Un confronto con le tecnologie di Google
Mentre Zuchongzhi dimostra la supremazia quantistica attraverso velocità e dimensioni, il processore Willow di Google si concentra su tolleranza agli errori, un elemento cruciale per applicazioni pratiche future. Il team cinese sottolinea che tecniche simili di correzione degli errori saranno integrate in Zuchongzhi 3.0 nei prossimi mesi.
Caratteristiche tecniche di Zuchongzhi 3.0
Le prestazioni di Zuchongzhi 3.0 derivano da una combinazione di un maggior numero di qubit e di un miglioramento della loro fedeltà. Il processore ospita 105 qubit superconduttori, configurati in una matrice rettangolare bidimensionale. Per gli esperimenti, il team ha utilizzato 83 qubit, ottimizzati per le prestazioni e i tassi di errore.
Le fedeltà operative per le porte a singolo qubit, a doppio qubit e per le operazioni di lettura sono rispettivamente del 99,90%, 99,62% e 99,18%. Questi valori rappresentano miglioramenti significativi rispetto al precedente modello Zuchongzhi 2.0, attribuiti principalmente a progettazioni di circuiti raffinate, tecniche di riduzione del rumore e metodi di fabbricazione migliorati.
Una delle principali innovazioni è stata l’uso della tecnica “flip-chip” per integrare i componenti del processore. La tecnica “flip-chip” consiste nel connettere due microchip capovolgendone uno e collegando direttamente i punti di contatto, creando un’integrazione ad alta densità ed efficiente con una perdita di segnale minima.
Il Zuchongzhi 3.0 presenta un’architettura basata su zaffiro, combinata con configurazioni avanzate di attenuatori e componenti in tantalio-alluminio, che hanno minimizzato il rumore ed esteso il tempo di coerenza dei qubit. Questo ha portato il tempo di rilassamento a 72 microsecondi e il tempo di de-fasamento a 58 microsecondi, elementi fondamentali per mantenere la stabilità del processore durante le operazioni.
Per dimostrare il vantaggio computazionale, i ricercatori hanno svolto un’attività nota come campionamento di circuiti casuali. Questo compito, ormai una pratica standard per gli scienziati che studiano il vantaggio computazionale, consiste nell’eseguire una sequenza di porte quantistiche casuali e nel misurare gli stati di output, un processo che risulta computazionalmente irrealizzabile per i computer classici su larga scala.
Zuchongzhi 3.0 ha eseguito circuiti con 83 qubit per 32 cicli, generando un milione di campioni in pochi secondi. Per confronto, i ricercatori sottolineano che il processore Sycamore di Google ha completato un compito simile utilizzando 67 qubit e 32 cicli. Il supercomputer Frontier, il più potente al mondo, richiederebbe miliardi di anni per replicare i risultati ottenuti da Zuchongzhi 3.0, anche in condizioni ideali.
A rischio di alimentare ulteriormente la “competizione”, entrambi i sistemi Zuchongzhi e Willow si basano su benchmark di supercomputer classici per evidenziare i progressi computazionali dei loro sistemi. Il team cinese scrive che l’esperimento di campionamento di circuiti casuali condotto con il processore Zuchongzhi 3.0 richiederebbe circa 6,4 miliardi di anni per essere simulato dal supercomputer Frontier. Secondo un articolo pubblicato su Nature, il processore Willow di Google dimostra significativi progressi nella soppressione degli errori e nella stabilità dei qubit logici, con tassi di errore così bassi che i dispositivi classici necessiterebbero di tempi computazionali che si estendono in settilioni di anni per replicarne le prestazioni, utilizzando le attuali capacità di supercalcolo.
Limitazioni e sfide
Nonostante i suoi risultati, lo studio evidenzia diverse limitazioni. Sebbene il processore dimostri un chiaro vantaggio computazionale quantistico, i compiti rimangono strettamente focalizzati sul provare questo vantaggio, piuttosto che risolvere problemi pratici. Questa è una limitazione simile agli esperimenti condotti con Willow. Estendere l’applicazione dei processori quantistici a sfide reali più ampie richiederà ulteriori progressi nella correzione degli errori e nella scalabilità.
Un’altra sfida riguarda la verifica dei risultati di tali esperimenti. I ricercatori hanno utilizzato circuiti ridotti – versioni più piccole e semplificate del circuito completo – per stimare la fedeltà. Sebbene i risultati dei circuiti ridotti siano stati vicini alle aspettative, verificare completamente i calcoli quantistici su larga scala rispetto ai modelli classici sta diventando sempre più impraticabile con l’aumentare delle dimensioni del sistema.
Un risultato collaborativo
Il progetto è stato realizzato grazie alla collaborazione tra numerose istituzioni cinesi, tra cui l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), il Centro Nazionale di Ricerca per le Scienze Fisiche Microscopiche di Hefei e QuantumCTek Co., Ltd., con il supporto di centri accademici e industriali in tutta la Cina.
Questo studio segna un altro passo significativo verso un futuro in cui il calcolo quantistico potrebbe ridefinire la capacità computazionale globale e le sue applicazioni pratiche. Per ulteriori approfondimenti tecnici, si invita a consultare direttamente lo studio pubblicato su arXiv.
Fonte: https://arxiv.org/html/2412.11924v1
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