Processori quantistici IBM: Condor a 1.121 qubit ed Heron che riduce il tasso di errore

IBM è una delle grandi aziende che maggiormente si sta dedicando ad attività di ricerca e sviluppo nel settore dei computer quantistici. La società ha appena posto una nuova importante pietra miliare con i suoi processori quantistici IBM Quantum Condor e Quantum Heron: il primo è basato su 1.121 qubit, il secondo è il processore quantistico contraddistinto dal tasso di errore più basso in assoluto.

Molteplici fattori possono perturbare e influenzare negativamente il funzionamento dei computer quantistici: a giugno 2023 abbiamo parlato delle soluzioni utilizzate da IBM per ridurre rumori ed errori. Heron è un prodotto frutto di quattro anni di ricerca e costituisce una parte chiave della visione di IBM per i sistemi di computing quantistico ad alte prestazioni.

IBM Quantum Heron riduce il tasso di errore nelle elaborazioni quantistiche

Il processore utilizza 133 qubit a frequenza fissa con accoppiatori regolabili, rappresentando un notevole miglioramento delle prestazioni rispetto ai precedenti processori di punta (Eagle da 127 qubit). Inoltre, elimina virtualmente il cross-talk, migliorando la qualità delle operazioni quantistiche.

Rispetto ad Eagle, annunciato nel 2021, il tasso di errore di Heron risulta ridotto a un quinto. IBM afferma che ciò consentirà di eseguire programmi più lunghi e complessi, aprendo alla ricerca dei migliori programmi di calcolo quantistico per varie tipologie di problemi. IBM afferma che questa caratteristica consentirà la gestione e l’esecuzione di programmi più lunghi e complessi, consentendo esperimenti come la ricerca dei migliori programmi di calcolo quantistico per diversi problemi.

Condor aumenta la potenza del processore quantistico, grazie all’utilizzo di 1.121 qubit

Gli ingegneri di IBM, tuttavia, non si sono concentrati solamente sul miglioramento del tasso di errore, tema cruciale ai fini della realizzazione di computer quantistici affidabili, ma hanno lavorato anche sullo sviluppo di un processore più potente. Come accennato in precedenza, Quantum Condor poggia su 1.121 qubit, il valore massimo fatto segnare fino ad oggi da IBM.

Al momento della stesura del nostro articolo, l’unica azienda oltre a IBM che sta sviluppando un processore dotato di più di 1.000 qubit è Atom Computing, che nel mese di ottobre 2023 ha annunciato un dispositivo da 1.180 qubit.

Le soluzioni utilizzate per creare e gestire i qubit nei processori IBM

IBM e Atom Computing, tuttavia, sfruttano modalità diverse per l’implementazione dei qubit. IBM utilizza il “metodo superconduttivo“: elettroni superconduttori raffreddano i chip dei circuiti elettronici portandoli a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto. A queste temperature, gli elettroni nei circuiti diventano superconduttori, il che significa che possono fluire senza resistenza elettrica. Questa proprietà superconduttiva è utilizzata per creare e manipolare i qubit all’interno del computer quantistico.

Atom Computing, invece, ha scelto il “cold atom method” che si basa sull’uso di atomi neutri, raffreddati e fissati nel vuoto utilizzando strumenti ottici chiamati “optical tweezers” (pinzette ottiche). Gli optical tweezers consentono di immobilizzare gli atomi in posizioni specifiche all’interno di un ambiente controllato. Gli atomi così disposti sono poi sfruttati come qubit nel computer quantistico.

Sebbene il metodo utilizzato da IBM semplifichi l’integrazione dei bit quantistici, è suscettibile al rumore e ha la tendenza di divenire instabile, portando a un aumento degli errori. Pertanto, IBM ha lavorato per migliorare le prestazioni dei computer quantistici aumentando il numero di qubit e migliorando al contempo il tasso di errore.

Per sviluppare Condor, IBM ha affermato di essersi concentrata sul miglioramento del meccanismo di input e sul modo con cui viene letto l’output.

Esaminando la programmazione di IBM risalente al 2020, si può notare come l’arrivo dei processori Condor a 1.121 qubit fosse previsto per il 2023. Big Blue sta quindi procedendo con lo sviluppo secondo la sua roadmap, senza accumulare alcun ritardo.

Combinare più processori in un unico computer quantistico: IBM Quantum System Two

Il sistema Quantum System Two rappresenta il nuovo punto di riferimento per la computazione quantistica su larga scala, con un design modulare e funzionalità avanzate.

Ricordate quello che avevamo scritto nell’articolo sulla sicurezza dell’algoritmo crittografico RSA? Uno studio firmato da Craig Gidney e Martin Ekerå sosteneva, qualche anno fa, che ci vorrebbero 20 milioni di qubit per completare con successo la fattorizzazione di una chiave RSA-2048 in 8 ore. Un valore enorme rispetto ai 1.121 qubit che offre il più recente processore quantistico appena svelato da IBM. L’idea di soluzioni come Quantum System Two è quella di combinare l’utilizzo di più processori quantistici aumentando significativamente le performance.

Ed è per questo che da tempo si parla dello sviluppo di algoritmi post quantistici, ovvero soluzioni crittografiche in grado di resistere ad eventuali attacchi sferrati con l’utilizzo di quantum computer.

Quantum System Two, in forze presso il laboratorio di Yorktown Heights (New York), è largo quasi 7 metri e alto la metà. Attualmente, include tre processori Heron. Il sistema unisce un’infrastruttura criogenica con elettronica di controllo di terza generazione e server runtime classici per supportare l’esecuzione di circuiti quantistici paralleli.

A differenza dei computer convenzionali che svolgono le elaborazioni utilizzando il codice binario (bit 0 e 1), i computer quantistici utilizzano la sovrapposizione quantistica e l’entanglement quantistico per eseguire calcoli in parallelo. Approfondiamo l’argomento nei due articoli citati nell’introduzione.