Nel 2020 il computer quantistico Jiuzhang ha completato un calcolo in circa 200 secondi. Secondo le stime del team di ricerca, uno dei supercomputer classici più potenti al mondo avrebbe impiegato miliardi di anni per eseguire lo stesso compito.

Non è un’esagerazione giornalistica. È il risultato pubblicato su Science dal gruppo guidato da Pan Jianwei e Lu Chao-Yang della University of Science and Technology of China.

Ed è stato uno dei momenti che ha reso molto più concreto il concetto di “supremazia quantistica”.

Cos’è davvero Jiuzhang

La particolarità di Jiuzhang è che non utilizza l’architettura quantistica più conosciuta, cioè quella basata su circuiti superconduttori come il Sycamore di Google.

Jiuzhang è invece un computer quantistico fotonico.

Lavora usando fotoni, cioè particelle di luce, che vengono fatti attraversare una rete ottica composta da beam splitter, specchi, interferometri e rilevatori fotonici.

La parte interessante è che tutto questo avviene a temperatura ambiente, senza la necessità di sistemi criogenici estremi.

In pratica, il processore crea un sistema in cui enormi quantità di percorsi quantistici vengono esplorati simultaneamente attraverso interferenze e sovrapposizioni dei fotoni.

Ed è proprio questa complessità che diventa quasi impossibile da simulare per un computer classico.

Il problema che Jiuzhang risolve

Il task eseguito da Jiuzhang si chiama Gaussian Boson Sampling.

Detto in modo semplice: il sistema deve calcolare la distribuzione statistica con cui i fotoni emergono da una rete ottica estremamente complessa dopo aver interagito tra loro.

Il problema cresce molto rapidamente.

Ogni nuovo fotone aumenta in modo esponenziale il numero delle possibili configurazioni finali. E un computer tradizionale, per simulare tutto questo, dovrebbe analizzare una quantità enorme di combinazioni.

Con la prima versione di Jiuzhang vennero rilevati simultaneamente 76 fotoni. Già a quel livello il numero di stati possibili diventava impraticabile da simulare con approcci classici.

Ed è qui che emerge il vantaggio quantistico.

Jiuzhang non analizza i percorsi uno dopo l’altro. Li esplora simultaneamente attraverso la sovrapposizione quantistica.

Secondo le stime pubblicate dal team cinese, simulare l’esperimento completo con il supercomputer Sunway TaihuLight avrebbe richiesto circa 2,5 miliardi di anni.

Jiuzhang ha completato il task in circa 200 secondi.

L’evoluzione del progetto

La prima versione del 2020 era già sufficiente per entrare nella storia del calcolo quantistico.

Ma il progetto ha continuato a evolversi rapidamente.

Jiuzhang 2.0, presentato nel 2021, ha aumentato il numero di fotoni rilevati a 113.

Jiuzhang 3.0, nel 2023, è arrivato a 255 fotoni, ampliando ulteriormente il divario rispetto ai supercomputer classici.

La versione più avanzata, Jiuzhang 4.0, ha portato il sistema su una scala ancora diversa: oltre 1000 stati squeezed iniettati in un processore fotonico programmabile con migliaia di modi ottici e migliaia di eventi di rilevamento.

Secondo i ricercatori, simulare un singolo campione usando algoritmi classici avanzati richiederebbe tempi praticamente incompatibili con qualsiasi infrastruttura computazionale esistente.

I limiti reali del sistema

La parte importante è che Jiuzhang non è un computer quantistico universale.

Non può eseguire qualunque programma. Non può far girare algoritmi general-purpose come farebbe un computer tradizionale.

È progettato quasi esclusivamente per il campionamento bosonico.

Ed è proprio per questo che molti ricercatori definiscono il Gaussian Boson Sampling un problema “specializzato”: estremamente difficile per i computer classici, ma particolarmente adatto ai sistemi quantistici fotonici.

La critica è legittima.

Jiuzhang oggi non serve a sostituire i computer tradizionali. Non può rompere RSA, non può eseguire software comuni e non può essere usato come un processore universale.

Ma il punto probabilmente è un altro.

Ha dimostrato che un vantaggio computazionale quantistico reale esiste davvero e può essere osservato sperimentalmente.

Perché conta davvero

La parte più interessante di Jiuzhang non è tanto il singolo problema matematico che riesce a risolvere.

È il fatto che mostra quanto rapidamente il calcolo quantistico stia uscendo dalla fase puramente teorica.

Le possibili applicazioni future dei sistemi fotonici includono simulazioni chimiche, ottimizzazione complessa, machine learning quantistico e alcuni ambiti della crittografia avanzata.

Molte di queste applicazioni sono ancora lontane da un utilizzo pratico reale.

Però una cosa ormai è chiara: la supremazia quantistica non è più soltanto un concetto accademico.

Esiste già sotto forma di hardware funzionante.

E probabilmente siamo ancora nelle primissime fasi di questa transizione.

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