La ricottura quantistica può battere l'informatica classica in casi limitati

Nella maggior parte delle condizioni, secondo una nuova prova, gli algoritmi su un computer di ricottura quantistica (Quantum Annealing - QA) non offrono accelerazione quantistica.

Ricerche recenti dimostrano che in determinate condizioni, i computer con ricottura quantistica possono eseguire algoritmi, incluso il noto algoritmo di Shor, più rapidamente dei computer classici. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, la ricottura quantistica non fornisce un'accelerazione rispetto al calcolo classico quando il tempo è limitato, secondo uno studio su Nature Communications. (1)

«Abbiamo dimostrato che puoi essere sicuro di raggiungere una soluzione rapida dal problema iniziale, ma questo è vero solo per una certa classe di problemi che possono essere impostati in modo che le molte storie di evoluzione del sistema quantistico interferiscano in modo costruttivo. Quindi le diverse narrazioni quantistiche aumentano le reciproche probabilità di raggiungere la soluzione», ha affermato il dottor Nikolai Sinitsyn (2), fisico quantistico teorico presso il Los Alamos National Laboratory e coautore dell'articolo con il suo collega, il dottor Bin Yan. (3)

Sebbene vengano regolarmente riportati esempi di prestazioni quantistiche superiori nelle simulazioni di ricottura quantistica, mancano prove certe. A volte i ricercatori deducono di aver raggiunto un vantaggio quantistico, ma non possono dimostrare che questa superiorità sia su qualsiasi algoritmo classico in competizione, ha detto Sinitsyn. Tali risultati sono spesso contraddittori.

Algoritmi sintonizzati e non sintonizzati

Il calcolo quantistico trasforma un semplice stato quantistico in uno stato con un risultato computazionale. In solo una manciata di algoritmi quantistici, questo processo è ottimizzato per superare gli algoritmi classici. Un algoritmo ottimizzato è appositamente progettato per garantire l'interferenza costruttiva di diverse storie di sistema durante il calcolo, che è la chiave del calcolo quantistico. Ad esempio, nella ricottura quantistica (QA), è possibile regolare il percorso dipendente dal tempo per problemi specifici. Gli algoritmi quantistici non ottimizzati, cosiddetti euristici, vengono utilizzati nei computer di ricottura quantistica. Non garantiscono tale interferenza.

«Qualsiasi problema può essere risolto euristicamente per un tempo infinito», ha detto Sinitsyn. «In pratica, però, il tempo di calcolo è sempre limitato. I ricercatori sperano che gli effetti quantistici riducano almeno il numero di errori per rendere praticabile l'approccio euristico».

Un approccio analitico

Per affrontare le incertezze del metodo euristico, Sinitsyn e Yan hanno stabilito un approccio diverso, puramente analitico per dimostrare un semplice processo non ottimizzato che risolve qualsiasi problema computazionale che può essere considerato da un computer di ricottura quantistica. L'accuratezza di questo calcolo può essere caratterizzata in qualsiasi momento nel tempo di esecuzione del calcolo.

Sfortunatamente, Sinitsyn e Yan hanno scoperto che questa precisione non è quasi sempre migliore delle prestazioni di un algoritmo classico.

Il motivo è che il calcolo quantistico efficiente si basa su effetti quantistici, come l'interferenza costruttiva, quando molte storie quantistiche diverse, che sono sperimentate simultaneamente da un processore quantistico, interferiscono per amplificare le informazioni utili nello stato finale. Senza la regolazione fine, l'interferenza corretta diventa improbabile. Ci sono, tuttavia, rare eccezioni, che lasciano la nicchia per il calcolo quantistico superiore.

Un'altra scoperta stimolante è stata l'osservazione che il processo considerato non incontra la cosiddetta transizione vetrosa di spin, che corrisponde a una soppressione estremamente lenta degli errori di calcolo, e che è un grande svantaggio delle classiche strategie di calcolo di annealing.

Quindi, gli approcci euristici al calcolo quantistico potrebbero finalmente funzionare, ma devono essere considerati con molta attenzione.

Finanziamenti: U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences, Materials Sciences, and Engineering Division, Condensed Matter Theory Program.

LA-UR-22-28266

Riferimenti:

(1) Analytical solution for nonadiabatic quantum annealing to arbitrary Ising spin Hamiltonian

(2) Nikolai Sinitsyn

(3) Bin Yan

Descrizione foto: Bin Yan (a sinistra) e Nikolai Sinitsyn (a destra) hanno sviluppato una prova analitica basata sulla teoria quantistica che vincola le condizioni in cui un computer di ricottura quantistica può superare un computer classico, ma solo quando sono soddisfatte condizioni specifiche. - Credit: Los Alamos National Laboratory.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Quantum annealing can beat classical computing in limited cases