Ecco Willow, il nostro chip quantistico all’avanguardia

Oggi sono lieto di annunciare Willow, il nostro ultimo chip quantistico. Willow offre prestazioni all'avanguardia su una serie di parametri e ha reso possibile raggiungere due importanti traguardi.

• Il primo è che Willow è in grado di ridurre gli errori in modo esponenziale a mano a mano aumentiamo il numero di qubit utilizzati. Questo risolve una sfida chiave nella correzione degli errori quantistici che il settore cerca di ottenere da quasi 30 anni.
• In secondo luogo, Willow ha eseguito in meno di cinque minuti un calcolo di riferimento standard che richiederebbe a uno dei supercomputer odierni più veloci 10 septilioni (ovvero 10 alla 25) di anni, un numero che supera di gran lunga l'età dell'Universo.

Il chip Willow rappresenta un passo importante di un viaggio iniziato oltre 10 anni fa. Quando ho fondato Google Quantum AI nel 2012, la visione era quella di costruire un computer quantistico utile e su larga scala in grado di sfruttare la meccanica quantistica - il "sistema operativo" della natura per quanto ne sappiamo oggi - a beneficio della società, abilitando scoperte scientifiche, sviluppando applicazioni utili e affrontando alcune delle più grandi sfide della società. In quanto parte di Google Research, il nostro team ha tracciato una roadmap a lungo termine e Willow ci fa avanzare significativamente lungo questo percorso verso applicazioni commercialmente rilevanti.

Correzione esponenziale degli errori quantistici: al di sotto della soglia!

Gli errori sono una delle maggiori sfide nel calcolo quantistico, poiché i qubit, le unità di calcolo nei computer quantistici, tendono a scambiare rapidamente informazioni con il loro ambiente, rendendo difficile proteggere le informazioni necessarie per completare un calcolo. In genere, più qubit si utilizzano, più errori si verificano e il sistema diventa classico.

Oggi su Nature abbiamo pubblicato risultati che dimostrano che più qubit utilizziamo in Willow, più riduciamo gli errori , e più il sistema diventa quantistico. Abbiamo testato array sempre più grandi di qubit fisici, passando da una griglia di 3x3 qubit codificati a una griglia di 5x5, fino a una griglia di 7x7, e ogni volta, utilizzando i nostri ultimi progressi nella correzione degli errori quantistici, siamo stati in grado di ridurre il tasso di errore della metà. In altre parole, abbiamo ottenuto una riduzione esponenziale del tasso di errore.

Questo storico risultato è noto nel settore come "sotto la soglia": essere in grado di ridurre gli errori aumentando il numero di qubit. È necessario dimostrare di essere al di sotto della soglia per mostrare un reale progresso nella correzione degli errori e questa è stata una sfida aperta sin da quando Peter Shor ha introdotto la correzione degli errori quantistici nel 1995.

Ci sono anche altre "prime volte" scientifiche coinvolte in questo risultato. Ad esempio, è anche uno dei primi esempi convincenti di correzione degli errori in tempo reale su un sistema quantistico superconduttore - fondamentale per qualsiasi calcolo utile, perché se non li si può correggere abbastanza velocemente, gli errori rovinano il calcolo prima che sia terminato. Ed è una dimostrazione "oltre il pareggio", in cui i nostri array di qubit hanno una durata di vita maggiore rispetto ai singoli qubit fisici, un segno inequivocabile che la correzione degli errori sta migliorando il sistema nel suo complesso.

Essendo il primo sistema al di sotto della soglia, questo è il prototipo più convincente di un qubit logico scalabile costruito fino a oggi. È un segnale forte che è possibile costruire computer quantistici utili e di grandi dimensioni. Willow ci avvicina all'esecuzione di algoritmi pratici e commercialmente rilevanti che non possono essere replicati sui computer convenzionali.

10 septilioni di anni con uno dei supercomputer più veloci di oggi

Per misurare le prestazioni di Willow, abbiamo utilizzato il benchmark del campionamento di circuiti casuali (RCS). Usato per la prima volta dal nostro team e ora ampiamente utilizzato come standard nel settore, l'RCS è il benchmark classicamente più difficile che si possa eseguire su un computer quantistico oggi. Lo si può pensare come un punto di ingresso per il calcolo quantistico: verifica se un computer quantistico sta facendo qualcosa che non potrebbe essere fatto su un computer classico. Qualsiasi team che costruisce un computer quantistico dovrebbe prima verificare se può battere i computer classici sull'RCS; in caso contrario, ci sono forti motivi di scetticismo sul fatto che possa affrontare compiti quantistici più complessi. Abbiamo utilizzato in modo consistente questo benchmark per valutare i progressi da una generazione di chip all'altra: abbiamo riportato i risultati del chip Sycamore nell'ottobre 2019 e di nuovo di recente nell'ottobre 2024.

Le prestazioni di Willow su questo benchmark sono sorprendenti: ha eseguito in meno di cinque minuti un calcolo che richiederebbe a uno dei supercomputer più veloci di oggi 10 alla 25 anni - o 10 septilioni di anni. Se si vuole scriverlo, sono 10.000.000.000.000.000.000.000.000 anni. Questo numero sbalorditivo supera le scale temporali note in fisica e supera di gran lunga l'età dell'universo. Dà credito all'idea che il calcolo quantistico avvenga in molti universi paralleli, in linea con l'idea che viviamo in un multiverso, una previsione fatta per la prima volta da David Deutsch.

I risultati più recenti di Willow sono mostrati nel grafico sotto; sono i nostri risultati migliori ad oggi, ma continueremo a fare progressi.

La nostra valutazione di come Willow superi uno dei supercomputer classici più potenti al mondo, Frontier, si è basata su ipotesi conservative. Ad esempio, abbiamo ipotizzato il pieno accesso ad archiviazione secondaria, ovvero a dischi rigidi, senza alcun sovraccarico di banda - una concessione generosa e irrealistica per Frontier. Naturalmente, come è accaduto dopo che abbiamo annunciato il primo calcolo oltre il classico nel 2019, ci aspettiamo che i computer classici continuino a migliorare su questo benchmark, ma la rapida crescita del divario dimostra che i processori quantistici si stanno staccando a un ritmo esponenziale doppio e continueranno a superare di gran lunga i computer classici a mano a mano che aumentiamo la scala.

Prestazioni all'avanguardia

Willow è stato costruito nella nostra nuova struttura di fabbricazione all'avanguardia a Santa Barbara, una delle poche al mondo costruita da zero per questo scopo. L'ingegneria di sistema è fondamentale nella progettazione e nella fabbricazione dei chip quantistici: tutti i componenti di un chip, come le porte a uno e due qubit, il reset dei qubit e la lettura, devono essere contemporaneamente ben progettati e integrati. Se un componente è in ritardo o se due componenti non funzionano bene insieme, le prestazioni del sistema ne risentono. Pertanto, la massimizzazione delle prestazioni del sistema informa tutti gli aspetti del nostro processo, dall'architettura e dalla fabbricazione del chip allo sviluppo e alla calibrazione delle porte. I risultati che riportiamo valutano i sistemi di calcolo quantistico in modo olistico, non solo un fattore alla volta.

Ci stiamo concentrando sulla qualità, non solo sulla quantità, perché produrre un numero maggiore di qubit non serve a nulla se non sono di qualità sufficientemente elevata. Con 105 qubit, Willow ha ora le migliori prestazioni della categoria nei due benchmark di sistema discussi in precedenza: la correzione degli errori quantistici e il campionamento di circuiti casuali. Tali benchmark algoritmici sono il modo migliore per misurare le prestazioni complessive del chip. Anche altre metriche di prestazione più specifiche sono importanti; ad esempio, i nostri tempi T1, che misurano per quanto tempo i qubit possono mantenere un'eccitazione - la risorsa computazionale quantistica chiave - si stanno ora avvicinando a 100 µs (microsecondi). Si tratta di un impressionante miglioramento di ~5 volte rispetto alla nostra precedente generazione di chip. Se si desidera valutare l'hardware quantistico e confrontarlo tra le diverse piattaforme, ecco una tabella delle specifiche chiave:

I prossimi passi con Willow e oltre

La prossima sfida per il settore è quella di dimostrare un primo calcolo "utile, oltre il classico" sui chip quantistici di oggi che sia rilevante per un'applicazione del mondo reale. Siamo ottimisti sul fatto che la generazione di chip Willow possa aiutarci a raggiungere questo obiettivo. Finora ci sono stati due tipi di esperimenti separati. Da un lato, abbiamo eseguito il benchmark RCS, che misura le prestazioni rispetto ai computer classici, ma non ha applicazioni note nel mondo reale. Dall'altro lato, abbiamo realizzato simulazioni scientificamente interessanti di sistemi quantistici, che hanno portato a nuove scoperte scientifiche, ma che sono ancora alla portata dei computer classici. Il nostro obiettivo è fare entrambe le cose contemporaneamente, ovvero entrare nel regno degli algoritmi che sono al di là della portata dei computer classici e che sono utili per problemi del mondo reale e commercialmente rilevanti.

Invitiamo ricercatori, ingegneri e sviluppatori a unirsi a noi in questo viaggio, consultando il nostro software open source e le nostre risorse educative, tra cui il nostro nuovo corso su Coursera, dove gli sviluppatori possono apprendere gli elementi essenziali della correzione degli errori quantistici e aiutarci a creare algoritmi in grado di risolvere i problemi del futuro.

A volte i colleghi mi chiedono perché ho lasciato il fiorente campo dell'AI per concentrarmi sul calcolo quantistico. La mia risposta è che entrambe si riveleranno le tecnologie più trasformative del nostro tempo, ma l'AI avanzata trarrà un notevole beneficio dall'accesso al calcolo quantistico. Per questo motivo ho chiamato il nostro laboratorio Quantum AI. Gli algoritmi quantistici hanno dalla loro parte leggi di scalabilità fondamentali, come stiamo vedendo con l'RCS. Esistono vantaggi di scalabilità simili per molti compiti computazionali fondamentali che sono essenziali per l'AI. Pertanto, il calcolo quantistico sarà indispensabile per raccogliere dati di addestramento inaccessibili alle macchine classiche, per addestrare e ottimizzare alcune architetture di apprendimento e per modellare sistemi in cui gli effetti quantistici sono importanti. Questo include aiutarci a scoprire nuovi farmaci, a progettare batterie più efficienti per le auto elettriche e ad accelerare i progressi nella fusione e nelle nuove alternative energetiche. Molte di queste future applicazioni rivoluzionarie non saranno possibili sui computer classici; sono in attesa di essere sbloccate con il calcolo quantistico.