Computer quantistici: sviluppato un nuovo metodo per misurare gli errori

I ricercatori del Caltech hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare i tassi di errore dei computer quantistici utilizzando computer classici, senza la necessità di simulazioni complete. Questa svolta aiuta a superare le sfide poste dagli errori intrinseci nei sistemi quantistici e potrebbe accelerare lo sviluppo di tecnologie di calcolo quantistico più accurate.

Oltre gli errori: un nuovo metodo per i computer quantistici

I computer quantistici promettono di superare i computer classici nella risoluzione di problemi complessi in vari ambiti, come informatica, medicina, economia, chimica e fisica. Tuttavia, queste macchine avanzate devono ancora raggiungere il loro pieno potenziale, poiché attualmente lottano con errori intrinseci. I ricercatori stanno lavorando diligentemente per ridurre al minimo questi difetti e migliorare le prestazioni dei computer quantistici.

Un modo per studiare questi errori è usare computer classici per simulare i sistemi quantistici e verificarne l’ accuratezza. L’unica pecca è che, poiché le macchine quantistiche diventano sempre più complesse, eseguirne simulazioni su computer tradizionali richiederebbe anni o più.

Ora, i ricercatori del Caltech hanno inventato un nuovo metodo con cui i computer classici possono misurare i tassi di errore delle macchine quantistiche senza doverli simulare completamente. Il team descrive il metodo in un articolo sulla rivista Nature.

Adam Shaw, autore principale dello studio e ricercatore che lavora nel laboratorio di Manuel Endres, Professore di fisica al Caltech, ha dichiarato: “In un contesto ideale, il nostro obiettivo è eliminare completamente questi errori. Questo è il santo graal della nostra ricerca. Tuttavia, fino a quando non raggiungeremo questo traguardo, è fondamentale comprendere a fondo le imprecisioni intrinseche al nostro sistema, al fine di sviluppare strategie per mitigarle. È proprio questa necessità che ci ha spinti a elaborare un nuovo metodo per valutare l’efficacia del nostro sistema.”

Entanglement e caos: svelati i segreti dei computer quantistici

Nel nuovo studio, il team ha eseguito esperimenti utilizzando un tipo di semplice computer quantistico noto come simulatore quantistico. I simulatori quantistici hanno una portata più limitata rispetto agli attuali rudimentali computer quantistici e sono pensati su misura per compiti specifici. Il simulatore del gruppo è composto da atomi di Rydberg controllati individualmente, atomi in stati altamente eccitati, che manipolano tramite laser.

Una caratteristica fondamentale del simulatore e di tutti i computer quantistici è l’entanglement, un fenomeno in cui alcuni atomi si collegano tra loro senza effettivamente toccarsi. Quando i computer quantistici lavorano su un problema, l’entanglement si crea naturalmente nel sistema, collegando invisibilmente gli atomi.

Nel 2023, Endres, Shaw e colleghi hanno rivelato che man mano che l’entanglement aumenta, quelle connessioni si diffondono in modo caotico o casuale, il che significa che piccole perturbazioni portano a grandi cambiamenti, nello stesso modo in cui il battito d’ali di una farfalla potrebbe teoricamente influenzare i modelli meteorologici globali.

Un nuovo approccio per i computer quantistici

Si ritiene che questa crescente complessità sia ciò che conferisce ai computer quantistici il potere di risolvere determinati tipi di problemi molto più rapidamente rispetto ai computer classici, come quelli di crittografia in cui numeri di grandi dimensioni devono essere rapidamente scomposti in fattori.

Shaw ha spiegato: “Una volta superata una certa soglia di qubit, ovvero il numero di atomi connessi all’interno di un computer quantistico, questi sistemi diventano intrattabili per i computer classici. Quando si superano i 30 qubit, le cose diventano estremamente complesse. All’aumentare del numero di qubit e degli intrecci quantistici, cresce esponenzialmente la complessità dei calcoli necessari per simulare il sistema”.

Il simulatore quantistico nel nuovo studio ha 60 qubit, il che secondo Shaw lo colloca in un regime impossibile da simulare esattamente: “Diventa un circolo vizioso. Vogliamo studiare un regime in cui è difficile per i computer classici lavorare, ma fare comunque affidamento su quei computer classici per stabilire se il nostro simulatore quantistico è corretto”.

Per affrontare la sfida, lui e i sui colleghi hanno adottato un nuovo approccio, eseguendo simulazioni al computer classiche che consentono diverse quantità di entanglement. 

I ricercatori hanno stimato che il loro simulatore quantistico da 60 qubit opera con un tasso di errore del 91 percento (o un tasso di accuratezza del 9 percento). Può sembrare basso, ma è, in effetti, relativamente alto per lo stato del campo. Per riferimento, l’ esperimento di Google del 2019, in cui il team ha affermato che il loro computer quantistico ha superato i computer classici, aveva un’accuratezza dello 0,3 percento (sebbene fosse un tipo di sistema diverso da quello in questo studio).

Shaw ha concluso: “Ora abbiamo un benchmark per analizzare gli errori nei sistemi di calcolo quantistico. Questo significa che mentre apportiamo miglioramenti all’hardware, possiamo misurare quanto bene hanno funzionato i miglioramenti. Inoltre, con questo nuovo benchmark, possiamo anche misurare quanto entanglement è coinvolto in una simulazione quantistica, un’altra metrica del suo successo”.