La svolta di Harvard nel campo dell’informatica quantistica prevede un nuovo processore quantistico con 48 qubit logici, che consente l’esecuzione di algoritmi su larga scala su un sistema con correzione degli errori. Questo sviluppo, guidato da Mikhail Lukin, rappresenta un importante progresso verso computer quantistici pratici e tolleranti ai guasti.
Nell’informatica quantistica, un bit quantistico o “qubit” è un’unità di informazione, proprio come un bit binario nell’informatica classica. Per più di due decenni, fisici e ingegneri hanno mostrato al mondo che, in linea di principio, il calcolo quantistico è possibile manipolando le particelle quantistiche – siano esse atomi, ioni o fotoni – per creare qubit fisici.
Ma sfruttare con successo la stranezza della meccanica quantistica per il calcolo è più complicato che accumulare semplicemente un numero sufficientemente elevato di qubit fisici, che sono intrinsecamente instabili e inclini a collassare dai loro stati quantistici.
Qubit logici: gli elementi costitutivi dell’informatica quantistica
La vera moneta del regno dell’informatica quantistica utile sono i cosiddetti qubit logici: fasci di qubit fisici ridondanti e corretti dagli errori, che possono memorizzare informazioni da utilizzare in un algoritmo quantistico. La creazione di qubit logici come unità controllabili – come i bit classici – è stata un ostacolo fondamentale per il settore, ed è generalmente accettato che finché i computer quantistici non potranno funzionare in modo affidabile su qubit logici, le tecnologie non potranno davvero decollare. Ad oggi, i migliori sistemi informatici hanno dimostrato di avere uno o due qubit logici e un’operazione di gate quantistico – simile a una sola unità di codice – tra di loro.
La svolta di Harvard nell’informatica quantistica
Un team di Harvard guidato da Mikhail Lukin, professore di fisica all’Università di Joshua e Beth Friedman e co-direttore della Harvard Quantum Initiative, ha realizzato una pietra miliare nella ricerca di un calcolo quantistico stabile e scalabile. Per la prima volta, il team ha creato un processore quantistico logico programmabile, in grado di codificare fino a 48 qubit logici ed eseguire centinaia di operazioni di porte logiche. Il loro processore è la prima dimostrazione dell’esecuzione di algoritmi su larga scala su un computer quantistico con correzione degli errori, annunciando l’avvento del primo calcolo quantistico tollerante agli errori, o affidabile e ininterrotto.
Il lavoro è stato eseguito in collaborazione con Markus Greiner, professore di fisica George Vasmer Leverett; colleghi del MIT; e QuEra Computing con sede a Boston, una società fondata sulla tecnologia dei laboratori di Harvard. L’Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha recentemente stipulato un accordo di licenza con QuEra per un portafoglio di brevetti basato sulle innovazioni sviluppate nel gruppo di Lukin.
Lukin ha descritto il risultato come un possibile punto di svolta simile agli albori nel campo dell’intelligenza artificiale: le idee di correzione quantistica degli errori e tolleranza agli errori, a lungo teorizzate, stanno iniziando a dare i loro frutti.
“Penso che questo sia uno dei momenti in cui è chiaro che sta arrivando qualcosa di molto speciale”, ha affermato. “Sebbene ci siano ancora sfide da affrontare, prevediamo che questo nuovo processore accelererà notevolmente il progresso verso computer quantistici utili e su larga scala”.
La svolta si basa su diversi anni di lavoro su un’architettura di calcolo quantistico nota come array di atomi neutri, sperimentata per la prima volta nel laboratorio di Lukin e ora commercializzata da QuEra. I componenti chiave del processore sono un blocco di atomi di rubidio ultrafreddi e sospesi, in cui gli atomi – i qubit fisici del sistema – possono muoversi ed essere collegati in coppie – o “intrecciati” – durante il calcolo. Coppie di atomi intrecciati formano porte, che sono unità di potenza di calcolo. In precedenza, il team aveva dimostrato bassi tassi di errore nelle operazioni di entanglement, dimostrando l’affidabilità del loro sistema di array di atomi neutri.
Implicazioni e direzioni future
“Questa svolta è un tour de force di ingegneria e progettazione quantistica”, ha dichiarato Denise Caldwell, vicedirettrice della direzione delle scienze matematiche e fisiche della National Science Foundation, che ha sostenuto la ricerca attraverso i programmi Physics Frontiers Centers e Quantum Leap Challenge Institutes della NSF. “Il team non solo ha accelerato lo sviluppo dell’elaborazione delle informazioni quantistiche utilizzando atomi neutri, ma ha aperto una nuova porta all’esplorazione di dispositivi qubit logici su larga scala che potrebbero consentire vantaggi trasformativi per la scienza e la società nel suo insieme”.
Con il loro processore quantistico logico, i ricercatori ora dimostrano il controllo parallelo e multiplex di un intero patch di qubit logici, utilizzando i laser. Questo risultato è più efficiente e scalabile rispetto alla necessità di controllare singoli qubit fisici.
“Stiamo cercando di segnare una transizione nel campo, verso l’inizio di testare algoritmi con qubit corretti dagli errori invece che fisici, e consentendo un percorso verso dispositivi più grandi”, ha affermato il primo autore dell’articolo Dolev Bluvstein, della Griffin School of Arts and Sciences, dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Lukin.
Il team continuerà a lavorare per dimostrare più tipi di operazioni sui propri 48 qubit logici e per configurare il proprio processore in modo che funzioni continuamente, invece del ciclo manuale come avviene ora.
Fonte: Nature
