Google Willow e gli “stati magici”

Il 15 ottobre il team di Google Quantum AI ha raccontato sul blog di Google che sul processore Google Willow ha funzionato per la prima volta in pratica un metodo chiamato magic state cultivation, cioè la “coltivazione” degli stati magici. I risultati sono usciti sulla rivista Science.

Cosa ha mostrato esattamente Google Willow?

Secondo il post di Emma Rosenfeld e Craig Gidney di Google Quantum AI, il metodo ha portato:

1. circa 40x meno errori rispetto agli stati magici preparati senza “coltivazione”,
2. stati T (uno dei tipi di stati magici) con una fedeltà logica del 99,99%, che secondo il team è un record,
3. i primi passi verso l’architettura finale di Google: lo stato è stato trasferito da un codice a colori a distanza 3 a un codice di superficie a distanza 5.

Secondo Decrypt l’esperimento ha usato al massimo 54 dei 105 qubit di Willow.

Ma cosa sono questi “stati magici”?

Un computer quantistico con correzione degli errori esegue in modo abbastanza economico una parte delle operazioni facili, ma per il calcolo universale gli servono anche quelle “difficili”. Uno dei modi per ottenerle è preparare in anticipo degli stati ausiliari speciali, cioè proprio gli stati magici. Il nome viene dal fatto che sono proprio loro a permettere di superare i limiti di ciò che si può simulare su un computer normale.

Il problema è che sono costosi e usa e getta: ogni stato magico si può consumare una sola volta. Secondo le stime citate da Google, produrli potrebbe assorbire fino al 95% della potenza di un computer quantistico. Il team scrive che questo collo di bottiglia era stato previsto già nel 2004 e che da circa 20 anni si cerca un modo per allargarlo.

Come funziona la “coltivazione” degli stati magici?

La teoria è stata descritta nel 2024 da Craig Gidney, Noah Shutty e Cody Jones nell’articolo “Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates”. Funziona come un filtro:

1. in una piccola area del chip si introduce uno stato rumoroso,
2. una serie di misure coordinate lo controlla alla ricerca di errori e scarta i tentativi falliti,
3. lo stato che sopravvive viene “coltivato”, cioè fatto crescere fino a una forma molto pulita, che si può trasferire in un codice più grande.

La cosa curiosa è che la strada dalla teoria all’hardware non è stata semplice. Secondo Google, i primi dati dell’esperimento di Emma Rosenfeld “sembravano contraddire le leggi della fisica”. Dopo mesi di lavoro si è scoperto che la colpa era di un presupposto sbagliato nel metodo di misura che il team usava di routine. ScienceAlert scrive che il problema è stato risolto da una nuova tecnica, la cosiddetta “kickback tomography”.

C’è qualche fregatura?

Il filtro ha un costo. Nelle esecuzioni più rigorose restava solo circa l’8% dei tentativi, il resto veniva scartato. Il trasferimento dello stato nel codice più grande aggiungeva anche nuovi errori, con cui il team deve ancora fare i conti.

Google stessa sottolinea che il metodo va dimostrato su scala più ampia prima di diventare utile nei calcoli pratici. Decrypt ricorda che per rompere RSA-2048 servirebbero stati magici con un errore dell’ordine di 1 su 10 miliardi, cioè all’incirca un milione di volte più puliti che in questo esperimento. Il “Q-day” è quindi ancora lontano.

Cosa cambia per la crittografia?

Per ora poco. Alex Pruden di Project Eleven ha detto a The Block che il risultato non sposta necessariamente le previsioni sul Q-day, perché le stime precedenti delle risorse davano già per scontata questa tecnica. Secondo lui l’esperimento conferma piuttosto quei presupposti, quindi le previsioni attuali diventano più credibili. Nic Carter di Castle Island Ventures ha valutato che “non c’è una minaccia immediata”.

È un altro grande risultato dal mondo quantistico in questi ultimi giorni. Da poco ho scritto di come Claude ha progettato circuiti quantistici con fino a 17x meno porte. Circuiti migliori e stati magici più economici sono due facce dello stesso problema: come far stare calcoli utili su un hardware limitato.

FAQ

Che cos’è Google Willow?

È il processore quantistico di Google Quantum AI. Nell’esperimento sulla coltivazione degli stati magici sono stati usati al massimo 54 dei suoi 105 qubit.

Google Willow può già rompere la crittografia?

No. Per rompere RSA-2048 servirebbero stati magici circa un milione di volte più puliti che in questo esperimento e una macchina molto più grande.

Dove leggere l’articolo sugli stati magici?

I risultati dell’esperimento sono stati pubblicati su Science, mentre la teoria del 2024 è su arXiv.