Vantaggio quantistico, supremazia quantistica e utilità quantistica: che cosa significano le parole

Tre espressioni ricorrono di continuo nella copertura del quantum computing: supremazia quantistica, vantaggio quantistico e utilità quantistica. A volte vengono trattate come sinonimi, altre volte come gradini di una scala del progresso. Non sono né l’una né l’altra cosa. Provengono da articoli e interventi diversi, fanno confronti diversi e possono essere usate tutte con rigore o con leggerezza.

Questa guida spiega da dove vengono queste parole, che cosa deve specificare un’affermazione responsabile e come leggerle accanto a concetti più basilari come i qubit e la correzione degli errori. Si affianca alla nostra checklist su come leggere un annuncio nel quantum computing.

Supremazia quantistica

John Preskill ha introdotto l’espressione “supremazia quantistica” (quantum supremacy) in una relazione del 2012, pubblicata in seguito con il titolo “Quantum computing and the entanglement frontier”. La usava per indicare il momento atteso in cui un sistema quantistico ben controllato sarebbe stato in grado di svolgere un compito che va oltre ciò che possono fare i normali computer digitali. In quella relazione, una dimostrazione convincente di supremazia non doveva necessariamente risolvere un problema industriale utile. Poteva trattarsi di un compito artificioso, scelto perché difficile da simulare in modo classico ed eseguibile sull’hardware disponibile a breve termine.

Questo significato — un dispositivo quantistico che fa qualcosa che mette alla prova o supera la simulazione classica plausibile, non necessariamente qualcosa per il cui calcolo qualcuno pagherebbe — è quello che si è affermato nella letteratura scientifica.

L’affermazione più nota è arrivata nell’ottobre 2019, quando Google e i suoi collaboratori hanno pubblicato su Nature “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Descrivevano un esperimento di campionamento di circuiti casuali sul processore Sycamore a 53 qubit e stimavano che un compito che al loro dispositivo quantistico richiedeva circa 200 secondi avrebbe richiesto a un supercomputer all’avanguardia circa 10.000 anni. Questi numeri sono stime degli autori, non una costante universale della natura: dipendono da come si modella la simulazione classica.

I ricercatori di IBM hanno risposto pubblicamente, anche con un post di blog intitolato “On ‘quantum supremacy’”, sostenendo che una simulazione classica più accurata — in particolare una che sfruttasse meglio la memoria secondaria — avrebbe potuto completare lo stesso compito di campionamento nel giro di giorni anziché di millenni. Il disaccordo non riguardava il fatto che Sycamore avesse eseguito un circuito difficile. Riguardava il significato di “fuori dalla portata dei computer classici” una volta specificati in modo più generoso l’algoritmo classico e il modello di macchina.

Quello scambio è il modello per leggere ogni successiva affermazione di tipo supremazia: indicare il compito, indicare il dispositivo quantistico, indicare il riferimento classico, e aspettarsi che quel riferimento si sposti man mano che gli algoritmi classici migliorano.

Vantaggio quantistico

“Vantaggio quantistico” (quantum advantage) si usa in due modi che si sovrappongono, ed è per questo che crea problemi.

In un primo uso è un sinonimo più moderato di supremazia: un computer quantistico supera un computer classico in un compito ben definito. Alcuni ricercatori preferiscono “vantaggio” perché in inglese supremacy ha connotazioni politiche che non hanno nulla a che fare con la fisica. Quando un articolo dice di evitare la parola supremazia per questo motivo, di solito sta comunque parlando di un confronto computazionale, non di un prodotto che sarebbe in generale migliore dei computer classici.

Nell’altro uso, “vantaggio” è riservato a un’accelerazione (o a un miglioramento in termini di costi o di energia) su un problema che interessa già a qualcuno — chimica, materiali, ottimizzazione, crittografia — anziché su un compito di campionamento inventato per il confronto. In questo uso più rigoroso, un esperimento di campionamento di circuiti casuali può essere supremazia senza essere vantaggio.

Non puoi sapere quale significato intenda un annuncio se non dice che cosa è stato confrontato con che cosa. Un titolo che dice soltanto “raggiunto il vantaggio quantistico” è incompleto.

Utilità quantistica

“Utilità” (quantum utility) si è diffusa ampiamente dopo un articolo pubblicato su Nature nel 2023 da Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala e colleghi di IBM e di partner accademici: “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”. L’esperimento ha eseguito circuiti su un processore superconduttivo rumoroso a 127 qubit, compresi circuiti con fino a 60 strati di porte a due qubit (2.880 porte CNOT nei casi più grandi messi in evidenza). Gli autori sostenevano di poter misurare valori di aspettazione accurati a una scala che va oltre il calcolo classico a forza bruta e che, in un regime fortemente entangled, i loro risultati restavano affidabili là dove alcuni dei principali metodi classici approssimati, tra cui certi approcci basati su reti tensoriali, fallivano.

Dall’articolo stesso discendono due cautele. Primo, gli autori presentano il lavoro come evidenza di utilità in un’era precedente alla tolleranza ai guasti — una base per esplorare metodi a breve termine —, non come l’affermazione che un’applicazione commerciale batta ormai qualsiasi risolutore classico. Secondo, il confronto è con tecniche classiche specifiche (la simulazione a forza bruta dove è ancora applicabile e determinati metodi approssimati dove non lo è). Algoritmi classici successivi possono ridurre o colmare quel divario, così come il lavoro di simulazione classica ha risposto a parte del confronto sulla supremazia del 2019.

Nel linguaggio di marketing più disinvolto, “utilità” viene talvolta allargata fino a significare “i clienti traggono valore dal nostro sistema quantistico”. Può essere un’affermazione commerciale ragionevole. Non è la stessa affermazione dell’articolo del 2023.

Come si collocano queste parole rispetto a NISQ e alla tolleranza ai guasti

Il successivo saggio di Preskill sull’era NISQ (2018) descriveva un’epoca di dispositivi con decine o centinaia di qubit rumorosi, abbastanza interessanti da consentire esperimenti difficili da simulare, ma non ancora protetti da una correzione degli errori pienamente fault-tolerant. Gli esperimenti di campionamento di tipo supremazia appartengono naturalmente a quell’era: si chiedono se un dispositivo rumoroso possa superare la simulazione classica in un compito costruito su misura.

Gli algoritmi utili e su larga scala discussi nei manuali presuppongono in genere una macchina tollerante ai guasti, in cui qubit logici e porte logiche sono abbastanza affidabili da eseguire circuiti profondi. È un traguardo diverso dalla supremazia, dal vantaggio o dall’utilità. Un gruppo può riportare progressi nella correzione degli errori senza rivendicare alcun vantaggio, e può riportare un esperimento di tipo supremazia senza disporre di un qubit logico.

Mescolare questi livelli — “abbiamo dimostrato la supremazia, quindi gli algoritmi utili sono arrivati” — è il salto più comune negli articoli divulgativi. Gli articoli sperimentali stessi fanno raramente quel salto.

Un test di lettura per ciascuna delle tre affermazioni

Qualunque sia la parola scelta da un annuncio, valgono le stesse domande:

• Compito. Quale input viene fornito, quale output viene prodotto e perché quell’output è difficile da ottenere in modo classico?
• Dispositivo quantistico. Quanti qubit, quale modalità, quale profondità di circuito e quale mitigazione o correzione degli errori è stata usata?
• Riferimento classico. Quale algoritmo, quale macchina, quanto tempo e quanta memoria, e chi ha scelto l’implementazione — il team quantistico o un gruppo indipendente esperto di calcolo classico?
• Verifica. Come si sa che l’output quantistico è corretto quando il problema è troppo grande per essere simulato in modo esatto?
• Stabilità dell’affermazione. Un metodo classico successivo ha già ridotto il divario? Le affermazioni di supremazia e di vantaggio possono ridimensionarsi senza alcun errore nell’esperimento originale.
• Utilità. Il compito è qualcosa che un utente esterno all’esperimento voleva risolvere, oppure un benchmark costruito per il confronto?

Se queste risposte si trovano nell’articolo o nel post tecnico, la parola del titolo conta meno. Se non ci sono, la parola del titolo non può sostituirle.

Come DesignQuantum^™ usa questi termini

Nelle nostre notizie preferiamo riportare il confronto che il gruppo autore dell’annuncio ha effettivamente fatto, con le sue parole e attribuendogliele, e poi inserire il link all’articolo o al post. Usiamo “supremazia”, “vantaggio” o “utilità” con la nostra voce solo quando è chiaro a quale confronto ci riferiamo. Quando un comunicato usa una di queste parole senza un confronto, la trattiamo come un’affermazione di chi parla, non come un risultato che abbiamo valutato in modo indipendente.

Il vocabolario continuerà a cambiare. Ciò che non dovrebbe cambiare è la richiesta che un’affermazione computazionale indichi il proprio compito e il proprio riferimento.