IBM e Algorithmiq hanno dimostrato un vantaggio quantistico nella simulazione della propagazione delle informazioni all’interno di un materiale eterogeneo, utilizzando un processore IBM Quantum Heron e un nuovo sistema di validazione progettato per stabilire l’affidabilità dei risultati anche quando non è più disponibile una verifica classica completa. A otto mesi dalla prima pubblicazione dell’esperimento nel Quantum Advantage Tracker, nessuno dei principali metodi di simulazione classica è riuscito a riprodurre in modo affidabile i risultati nell’intero regime studiato. Il computer quantistico ha continuato quindi a fornire una soluzione competitiva rispetto alle migliori tecniche classiche disponibili, raggiungendo un problema nel quale l’elaborazione quantistica può risultare più efficiente, meno costosa oppure più accurata.
L’esperimento ha affrontato uno dei problemi centrali del calcolo quantistico: determinare se un risultato possa essere considerato attendibile quando la complessità del sistema supera la capacità dei computer classici di verificarlo direttamente. Fino a quando un circuito quantistico rimane simulabile con un supercomputer tradizionale, la sua risposta può essere confrontata con un calcolo classico considerato sufficientemente preciso. Quando però le dimensioni, la profondità del circuito o la complessità delle interazioni crescono oltre tale limite, il confronto non è più praticabile e la superiorità computazionale rende contemporaneamente più difficile certificare la correttezza del risultato.
Il sistema studiato rappresenta una forma di materia quantistica eterogenea nella quale le proprietà locali variano da una regione all’altra. I materiali reali, compresi i catalizzatori e gli elettroliti impiegati nelle batterie, non sono generalmente costituiti da strutture perfettamente uniformi, ma comprendono irregolarità, interfacce, difetti e collegamenti locali differenti che influenzano il movimento delle particelle, dell’energia e delle informazioni. Comprendere questi fenomeni richiede la simulazione di numerosi componenti quantistici interagenti, un’attività che diventa rapidamente proibitiva per le tecniche classiche all’aumentare della dimensione del sistema.
Il modello è stato sviluppato dal gruppo di ricerca e sviluppo di Algorithmiq guidato dal senior scientist Sergey Filippov, all’interno della divisione diretta dal cofondatore e Chief Scientific Officer Guillermo García-Pérez. I ricercatori hanno costruito una struttura nella quale l’informazione attraversa regioni caratterizzate da proprietà locali e connessioni differenti, collocando deliberatamente il problema in un regime sufficientemente complesso da mettere in difficoltà i principali metodi classici, ma ancora eseguibile sull’hardware quantistico oggi disponibile.
L’esecuzione sul processore IBM Quantum Heron ha trasformato l’hardware in un materiale quantistico programmabile. Le interazioni microscopiche tra i qubit sono state configurate in modo da riprodurre le differenti regioni del modello, permettendo ai ricercatori di controllare i punti nei quali l’informazione si propaga, si localizza oppure interferisce. Modificando i collegamenti e i parametri del circuito è stato possibile ricreare digitalmente strutture diverse e osservare il comportamento dell’informazione nel tempo, senza dover costruire fisicamente ogni materiale corrispondente.
L’esperimento ha utilizzato fino a 70 qubit e ha studiato la dinamica degli operatori attraverso una misura basata sull’eco di Loschmidt. Questa tecnica permette di osservare quanto efficacemente un sistema riesca a ritornare verso una configurazione precedente dopo che la sua evoluzione è stata invertita. Le deviazioni dal ritorno ideale forniscono informazioni sulla diffusione, sulla localizzazione e sull’interferenza dei fenomeni quantistici, rendendo possibile analizzare il modo in cui una perturbazione inizialmente circoscritta si distribuisce attraverso una struttura eterogenea.
Per verificare l’esperimento, il team di ingegneria software di Algorithmiq ha collaborato con ricercatori specializzati nelle più avanzate tecniche di simulazione classica. Sono stati applicati diversi metodi, comprese soluzioni basate su reti tensoriali e belief propagation, ma le previsioni prodotte non coincidevano tra loro per le stesse grandezze fisiche. In alcune parti del regime analizzato un metodo risultava più vicino alla risposta quantistica, mentre in altre regioni produceva valori incompatibili con quelli ottenuti da differenti algoritmi classici. L’assenza di una soluzione esatta impediva quindi di stabilire quale simulazione dovesse essere considerata corretta semplicemente confrontando i risultati disponibili.
IBM e Algorithmiq hanno affrontato il problema sviluppando un quadro di validazione basato sulla manipolazione controllata del rumore. Gli errori presenti nei computer quantistici non sono stati trattati soltanto come una componente da ridurre, ma anche come una variabile sperimentale da modificare deliberatamente. I ricercatori hanno aumentato e alterato il rumore applicato ai circuiti, modificato le calibrazioni delle porte quantistiche ed eseguito gli stessi calcoli su più processori IBM Quantum, verificando come cambiavano i risultati al variare delle condizioni hardware.
Se la soluzione osservata fosse stata principalmente una conseguenza accidentale del rumore, le modifiche introdotte avrebbero dovuto produrre variazioni sostanziali e incoerenti. I risultati quantistici sono invece rimasti stabili nelle diverse configurazioni, fornendo un’indicazione che il comportamento misurato derivasse dal sistema simulato e non da uno specifico errore del dispositivo. L’esperimento ha inoltre permesso di costruire modelli rappresentativi del rumore sottostante e di quantificare l’incertezza associata alle risposte, creando un percorso verso una validazione autonoma fondata su tecniche imparziali di mitigazione degli errori.
Il metodo non tenta quindi di sostituire una verifica classica completa con una singola prova alternativa. L’affidabilità viene costruita combinando la ripetizione dell’esperimento, l’esecuzione su processori differenti, la variazione controllata del rumore, l’analisi della stabilità delle osservazioni e la quantificazione dell’incertezza. Questo sistema permette di valutare la coerenza interna di una computazione quantistica anche quando nessun computer classico è in grado di ricostruire esattamente l’intera dinamica simulata.
Il risultato risponde alla distinzione tra supremazia quantistica e vantaggio quantistico utile. Una dimostrazione di supremazia può limitarsi a un problema artificiale progettato per essere difficile da riprodurre con un computer classico, senza necessariamente produrre un’informazione scientifica utilizzabile. In questo caso, invece, il processore è stato impiegato per studiare un fenomeno fisico legato al comportamento dei materiali complessi. L’obiettivo non era soltanto eseguire un calcolo fuori dalla portata della simulazione classica esatta, ma ottenere informazioni sulla diffusione quantistica in sistemi eterogenei che possano contribuire allo studio di materiali reali.
Il vantaggio quantistico non viene inoltre definito attraverso una singola fotografia del confronto tra hardware quantistico e software classico. Le tecniche tradizionali continuano infatti a migliorare dopo la pubblicazione di ogni risultato, spesso riducendo o eliminando il vantaggio inizialmente osservato. Il Quantum Advantage Tracker è stato introdotto proprio per sottoporre queste dichiarazioni a una verifica continuativa, permettendo alla comunità di confrontare nel tempo i risultati quantistici con i nuovi algoritmi classici. Il fatto che, dopo otto mesi, nessun metodo classico abbia prodotto risultati affidabili nell’intero regime analizzato rafforza la dimostrazione rispetto a un confronto limitato al momento dell’esperimento.
Algorithmiq ha accompagnato il risultato con il rilascio di monoprop, un pacchetto che rende disponibile alla comunità scientifica il proprio metodo classico più avanzato per simulare gli stati fondamentali molecolari. La stessa tecnologia era stata utilizzata dall’azienda per mettere alla prova le dichiarazioni di vantaggio quantistico, comprese quelle derivanti dai propri esperimenti. La pubblicazione permette ai gruppi di ricerca attivi sia nel calcolo quantistico sia in quello tradizionale di utilizzare un riferimento comune per verificare le future dimostrazioni, confrontare le prestazioni e tentare di superare i risultati ottenuti.
Uno stato fondamentale rappresenta la configurazione energetica più bassa disponibile per un sistema quantistico ed è una grandezza essenziale nella simulazione di molecole e materiali. Calcolarlo con precisione permette di ricavare proprietà chimiche, stabilità, distribuzioni elettroniche e possibili reazioni. L’aumento del numero di particelle e delle interazioni fa però crescere molto rapidamente la complessità del calcolo classico, rendendo questo ambito uno dei principali candidati per applicazioni scientifiche del calcolo quantistico.
Il rilascio di monoprop non elimina la competizione tra metodi quantistici e classici, ma la rende riproducibile e verificabile. Un gruppo che rivendica un vantaggio quantistico può confrontare il proprio risultato con una tecnica classica pubblicamente disponibile, mentre altri ricercatori possono modificare il codice, migliorarne l’efficienza oppure sviluppare algoritmi in grado di raggiungere le stesse risposte. Una dimostrazione rimane quindi valida soltanto fino a quando le migliori alternative classiche non riescono a ottenere risultati equivalenti con risorse, costi o precisione comparabili.
La simulazione condotta da IBM e Algorithmiq stabilisce così un doppio riferimento. Da un lato mostra che un processore quantistico attuale può studiare una dinamica fisicamente significativa che continua a resistere ai principali metodi classici; dall’altro introduce una procedura per attribuire fiducia ai risultati senza dipendere da una simulazione tradizionale completa. La combinazione tra controllo del rumore, verifiche incrociate su più dispositivi, mitigazione degli errori, incertezza quantificata e benchmark classici aperti definisce un possibile modello operativo per utilizzare i computer quantistici come strumenti scientifici anche oltre il limite della verifica classica.