Il RIKEN Center for Quantum Computing ha sviluppato un nuovo metodo di correzione degli errori quantistici, i “codici a molti ipercubi”, che promettono una correzione efficiente e parallela per il calcolo quantistico a tolleranza di errore.
Questo metodo sfrutta una struttura di codice geometrica complessa, in grado di raggiungere elevate velocità di codifica e capacità di elaborazione parallela simili a quelle del calcolo ad alte prestazioni classico, il che lo rende una potenziale svolta nel calcolo quantistico.
Sfide nella correzione degli errori quantistici
In uno studio pubblicato sulla rivista Science Advances, Hayato Goto del RIKEN Center for Quantum Computing in Giappone ha proposto un nuovo approccio di correzione degli errori quantistici utilizzando quelli che lui chiama “codici a molti ipercubi”. Questo, che risulta avere una geometria elegante, potrebbe aiutare a realizzare correzioni di errori estremamente efficienti e contribuire a metodi altamente paralleli che consentiranno il calcolo quantistico fault-tolerant, la fase successiva nell’evoluzione dei computer quantistici.
Secondo Goto: “Grazie ai recenti progressi sperimentali, ora c’è una grande speranza che saremo in grado di costruire computer quantistici fault-tolerant, ovvero in grado di correggere gli errori e superare la potenza dei computer convenzionali in determinati compiti. Per raggiungere questo obiettivo, tuttavia, è importante sviluppare un’efficiente correzione degli errori quantistici”.
Gli scienziati hanno proposto molti metodi diversi di correzione degli errori negli ultimi decenni. L’approccio convenzionale alla correzione degli errori quantistici si basa in genere sulla codifica di un singolo qubit logico (il qubit è l’equivalente di un bit su un computer classico) su molti qubit fisici aggrovigliati, e quindi sull’utilizzo di un decodificatore per recuperare quelli logici da quelli fisici.
La scalabilità, tuttavia, rappresenta un problema con questo approccio, poiché il numero di qubit fisici necessari aumenta enormemente, con conseguenti enormi spese generali di risorse.
Per superare questo problema, sono stati presi in considerazione codici quantistici ad alta velocità, come i codici di controllo di parità a bassa densità quantistica. Tuttavia, con questo approccio le porte logiche, che rendono possibili i calcoli, devono essere impostate in modo piuttosto sequenziale anziché completamente parallelo, il che le rende meno efficienti in termini di tempo.
Gli ipercubi contro gli errori quantistici
Come mezzo per porre rimedio a questo, Goto ha proposto di usare un approccio che lui chiama “codici a molti ipercubi”. Nello specifico, si tratta di un metodo con un nome complesso, codici quantistici concatenati ad alta velocità, e ciò che è innovativo è che i qubit logici possono essere visualizzati matematicamente come formanti ciò che è noto come un “ipercubo”, un tipo di forma, inclusi quadrati e cubi, nonché forme di ordine superiore come il tesseratto.
La splendida struttura matematica e geometrica del codice è notevole, poiché la maggior parte dei codici quantistici ad alta velocità hanno strutture complicate.
Goto ha sottolineato che affinché i nuovi codici producessero prestazioni più elevate, aveva bisogno di sviluppare un nuovo decoder dedicato che potesse interpretare il risultato dai qubit fisici. Questa tecnica innovativa si basa sulla decodifica della distanza minima livello per livello, che consente prestazioni elevate.
Una nuova tecnica di correzione degli errori quantistici
A differenza di altri metodi simili, consente anche di mettere le porte logiche in parallelo anziché in serie, il che rende il sistema analogo all’elaborazione parallela nei computer classici, portando Goto a chiamarlo “high-performance fault tolerant computing” come analogia a “high-performance computing” che viene utilizzato per il computing massivamente parallelo.
Il lavoro ha dato i suoi frutti. I codici hanno raggiunto un tasso di codifica, un numero che indica il rapporto tra qubit logici e fisici, fino al 30%, che Goto sostiene essere il più alto al mondo tra i codici utilizzati per il calcolo quantistico fault-tolerant. E anche con questo tasso elevato, le prestazioni sono paragonabili ai codici convenzionali a basso tasso.
Egli ha concluso: “In pratica, questo codice potrebbe essere implementato con sistemi qubit fisici come i qubit di atomi neutri intrappolati tramite laser”.
