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Google si avvicina ad eliminare gli errori nel calcolo quantistico

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I fisici di Google hanno compiuto un passo importante verso la protezione delle informazioni delicate nel loro nascente computer quantistico da errori che possono cancellarle.

I ricercatori non sono ancora in grado di compensare tutti i tipi di errori, un passo necessario verso la costruzione di un computer quantistico a tutti gli effetti, ma altri affermano che sono pronti a raggiungere questo obiettivo.

“Non ci sono grandi scoperte, ma stanno facendo un duro lavoro e stanno effettuando chiari progressi per una svolta futura”, afferma Greg Kuperberg, un matematico dell’Università della California, mentre Davis Joschka Roffe, fisico teorico presso la Libera Università di Berlino, afferma che i ricercatori di Google hanno “a portata di mano” la completa correzione degli errori.
Per più di 20 anni, fisici e ingegneri hanno sviluppato computer quantistici che un giorno potrebbero risolvere problemi che travolgono qualsiasi computer convenzionale immaginabile, come il cracking degli schemi di crittografia attualmente utilizzati per proteggere le informazioni su Internet.

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Dal tuo cellulare al più grande supercomputer, un computer convenzionale manipola interruttori elettrici noti come bit che possono essere impostati su 0 o 1. Al contrario, un computer quantistico manipola qubit che possono essere impostati su 0, 1 o, stranamente, qualsiasi combinazione di 0 e 1 allo stesso tempo, diciamo 30% 0 e 70% 1.

Tuttavia, i qubit sono molto più precisi dei normali bit.

Il minimo rumore proveniente dall’ambiente, come campi elettrici o magnetici vaganti, può cancellare il delicato stato bidirezionale di un qubit.

Ad esempio, i qubit di Google, che consistono in minuscoli circuiti di un metallo superconduttore che ha due stati con energie distinte, può mantenere uno stato bidirezionale per circa 15 microsecondi prima che il rumore lo oscuri, il che non è abbastanza lungo per consentire ai computer quantistici di oggi di realizzare le grandi ambizioni dei ricercatori.

Affrontare tali errori è una sfida formidabile. Un computer normale può proteggersi dagli errori semplicemente effettuando copie ridondanti di bit e utilizzando tali copie per verificare lo stato corretto. Un computer quantistico non può farlo, poiché la meccanica quantistica vieta di copiare lo stato sconosciuto di un qubit su altri.

Invece, gli scienziati hanno escogitato modi per diffondere le informazioni in un qubit “logico” su molti qubit fisici. Ad esempio, lo stato di un singolo qubit che è 30% 0 e 70% 1 può essere distribuito a tre qubit in modo che, presi come gruppo, i qubit si trovino in uno stato in cui il 30% di tutti e tre è 0 e il 70% di tutti e tre è 1. Quello stato quantico più grande, ma equivalente, aiuta i ricercatori a eliminare gli errori.

Tuttavia, non possono farlo misurando direttamente quei qubit di dati, poiché la misurazione stessa annullerebbe lo stato a due vie. Quindi i ricercatori intercalano i qubit di dati con i cosiddetti qubit ausiliari e stabiliscono un collegamento quantistico chiamato entanglement tra ogni ancilla e i suoi vicini.

Misurando ripetutamente un qubit ausiliario, i ricercatori possono stabilire se i qubit di dati vicini si sono invertiti l’uno rispetto all’altro, senza misurare direttamente i qubit di dati. In linea di principio, i fisici possono quindi riportare quei qubit nei loro stati originali.

Lavorando con catene fino a 11 qubit di dati, i ricercatori di Google sono ora in grado di preservare un qubit logico per un tempo che aumenta esponenzialmente con il numero di qubit fisici, riferiscono oggi su Nature.

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Distribuendo lo stato di un singolo qubit su un massimo di 11 qubit di dati, hanno ridotto le possibilità di errore dopo 50 microsecondi dal 40% allo 0,2%.

Altri gruppi hanno dimostrato schemi di correzione di errori simili, ma il nuovo lavoro è il primo a dimostrare la soppressione esponenziale degli errori, afferma Julian Kelly, fisico di Google e autore senior del documento.

Tale soppressione esponenziale suggerisce che gli sviluppatori potrebbero eventualmente essere in grado di mantenere un qubit logico indefinitamente distribuendolo su circa 1000 qubit fisici.

Tuttavia, il team è solo a metà strada per la completa correzione degli errori, afferma Kelly. Per prima cosa, i ricercatori non hanno riportato i qubit fisici capovolti alla loro condizione originale, come avrebbero dovuto fare in un computer quantistico funzionante.

Cosa ancora più importante, il team di Google non è stato in grado di affrontare contemporaneamente entrambi i tipi di errori che possono affliggere i qubit: i capovolgimenti di bit, che scambiano le parti 0 e 1 di uno stato quantistico e i capovolgimenti di fase, che cambiano il modo in cui le parti 0 e 1 si combinano matematicamente.

In ogni data esecuzione, i ricercatori sono riusciti a sopprimere solo un tipo di errore o l’altro. Per correggerli entrambi, dovrebbero spostarsi letteralmente in un’altra dimensione, sostiene Kelly, codificando un singolo qubit logico non in una catena di qubit fisici, ma in una griglia quadrata di essi in un protocollo più complesso chiamato codice di superficie.

“Questo è stato davvero il nostro obiettivo sin dal primo giorno negativo”, afferma Kelly. “Ci aspettiamo di arrivarci in un futuro relativamente prossimo”.

Per ottenere il codice di superficie, i ricercatori di Google devono ancora migliorare i singoli qubit fisici e ridurre il loro tasso di errore di un ulteriore 30%, o meno di un fattore due, afferma Kevin Satzinger, un fisico di Google.

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Questa è una cifra incoraggiante, sostiene Kuperberg. “Sono abituato a cose come queste che sono sfasate di un fattore 10″, dice. “Non mi aspetto che questo tipo di fattore due sia un muro di mattoni.”

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