Intrecci di qubit per nuovi computer quantistici

Uno studio del Joint Quantum Institute mette in luce la possibilità di creare degli intrecci di qubit, su specifici materiali topologici, per migliorare le prestazioni dei computer quantistici

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Qualunque sia la costituzione interna di un computer quantistico – catene di ioni, giunzioni di superconduttori, chip al silicio – sono solo poche e semplici operazioni, che coinvolgono uno o due qubit per volta, che possono combinarsi e creare ogni programma per il computer – una caratteristica questa che rende queste operazioni universali. Gli scienziati chiamano queste semplici operazioni porte quantistiche, e sono stati impiegati diversi anni per ottimizzare il modo in cui queste porte potessero agire contemporaneamente. Si è cercato di ridurre il numero di porte (e quindi di qubit) necessarie per svolgere un dato calcolo ed è stato scoperto il modo di fare ciò cercando di ridurre gli errori che potrebbero compromettere il funzionamento del computer.

Recentemente, le riviste Physical Review Letters e Physical Review B hanno pubblicato gli esiti di una ricerca, condotta presso il Joint Quantum Institute, con la quale è stato scoperto il modo per implementare delle porte più robuste e maggiormente resistenti agli errori, utilizzando un numero costante di semplici elementi, e ottenendo la migliore riduzione possibile di un parametro noto come profondità di circuito.

La profondità di circuito conta il numero di porte che influenzano ogni qubit, e una profondità costante significa che il numero di porte necessarie per un determinato calcolo non cresce al crescere del computer; questa è una condizione necessaria se si vogliono ridurre gli errori. Ciò rappresenta una caratteristica promettente per computer quantistici robusti e universali.

Nell’ambito della ricerca, è stato scoperto che, attraverso dei circuiti unitari a profondità costante, è possibile implementare una vasta classe di operazioni negli stati topologici della materia nei codici di correzione degli errori topologici.

A differenza degli altri computer quantistici, quelli costruiti sulla base della correzione degli errori topologici – che finora sono stati studiati solo da un punto di vista teorico – non immagazzinano l’informazione in singoli qubit fisici. Piuttosto, questi computer diffondono l’informazione di un singolo qubit su una rete di diversi qubit – o, addirittura, su speciali materiali topologici.

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La diffusione di questa informazione rende il computer più resiliente nei confronti di frammenti di luce o piccole vibrazioni – disturbi quantistici che possono generare errori – e permette quindi l’individuazione di piccoli errori, che possono pertanto essere corretti durante il calcolo. Si tratta di uno dei vantaggi più importanti offerti dai computer quantistici basati sulla correzione degli errori topologici. Questo vantaggio presenta però una problematica: se l’errore non raggiunge facilmente l’informazione, non può farlo nessun altro.

Le ricerche svolte finora sembrano mostrare che l’operatività di questo tipo di computer richieda delle piccole variazioni sequenziali alla rete che immagazzina l’informazione – rete che viene raffigurata come una griglia o un reticolo bidimensionale. Con il trascorrere del tempo, queste piccole variazioni si sommano e spostano una regione del reticolo in un anello attorno a un’altra regione, facendo sì che la rete sembri ritornare alla configurazione iniziale.

Queste trasformazioni della rete vengono chiamate trecce, perché i motivi che tracciano nello spazio e nel tempo sono molto simili a capelli intrecciati. Sulla base della fisica che soggiace alla rete – comprese le tipologie di particelle, chiamate anioni, che possono saltarvi sopra – queste trecce sono in grado di processare qualunque programma quantistico.

Nel lavoro, gli autori hanno dimostrato che queste trecce possono essere prodotte istantaneamente. In questo modo, i diagrammi annodati vengono sostituiti dal riarrangiamento della rete in situ.

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Secondo la letteratura esistente, queste trecce potevano essere prodotte solo secondo un processo adiabatico, o comunque molto lentamente, per evitare che si creassero degli errori. Lo studio del Joint Quantum Institute ha dimostrato che, invece di regioni che si muovono lentamente con anioni attorno a ciascuna di esse, è possibile semplicemente allungare o comprimere lo stazio tra queste regioni attraverso un numero costante di passaggi.

Per ottenere questo tipo di assetto della rete è innanzitutto necessaria la capacità di creare delle modifiche locali, che riconfigurino le interazioni tra i qubit fisici di cui è costituita la rete stessa. Ciò non si discosta molto da quanto viene normalmente richiesto dall’attività di intrecciamento, ma si assume che ciò accada in parallelo attraverso la regione che deve essere intrecciata. Inoltre, è necessaria la capacità di scambiare le informazioni su qubit fisici che non sono vicini tra di loro – che addirittura possono trovarsi in angoli opposti della regione sottoposta all’intrecciamento. Quest’ultima condizione è legata anche allo specifico hardware per il computer quantistico, ma gli autori garantiscono che vi sono dei sistemi in grado di supportare queste funzioni.

Guanyu Zhu, uno dei componenti del gruppo di ricerca, afferma che esistono diverse piattaforme sperimentali, con connettività ad ampio raggio, in grado di supportare lo schema proposto; tra queste si annoverano trappole ioniche, sistemi con circuiti a Elettrodinamica Quantistica con risonatori a lunga linea di trasmissione, strutture modulari con spazi superconduttori, oltre che dispositivi fotonici al silicio. Oppure, si possono immaginare delle piattaforme con qubit moventi, come dei computer quantistici fluidi, dove i qubit possono liberamente fluire secondo le leggi del moto classico.

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Nell’articolo pubblicato sul Physical Review Letters, gli autori hanno formulato delle istruzioni precise in merito a come ottenere le trecce istantanee in una particolare classe di codici quantistici. Negli articoli pubblicati successivamente su Physical Review B e su Quantum, hanno esteso questo risultato a configurazioni più generali e ne hanno esaminato l’applicazione a un codice topologico nello spazio iperbolico (dove l’aggiunta di un nuovo qubit diffuso richiede solo l’aggiunta di un numero costante di qubit nella rete).

Gli autori però non hanno ancora compreso in che modo le loro nuove tecniche di intreccio possano integrarsi con gli ulteriori obiettivi di rilevare e correggere gli errori; ciò rimane un problema aperto per la ricerca futura.

La speranza dei ricercatori è che i loro risultati possano essere utili per avere definitivamente una computazione quantistica tollerante agli errori, con un costante sovraccarico spaziotemporale.

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Fonte: phys.org