Un nuovo approccio migliora drasticamente i chip quantistici
Per molti anni, i qubit superconduttori sono stati in testa. Ora un team di ricerca sostiene di aver superato di gran lunga i successi precedenti - con chip quantistici basati su atomi di rubidio.
Per ora i computer quantistici sono ancora allo stadio di Albert Einstein poco dopo aver iniziato la scuola. Il potenziale c'è, ma non è detto che un giorno il bambino diventi un rivoluzionario i cui calcoli inaugureranno una nuova era per la fisica. Questo perché le macchine futuristiche commettono ancora troppi errori. Un team di ricerca dell'Università di Harvard, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), del National Institute of Standards and Technology, della start-up QuEra e dell'Università del Maryland ha presentato sulla rivista scientifica "Nature" un processore quantistico con 280 qubit che può rilevare e correggere gli errori. A tal fine, hanno testato diversi metodi di correzione degli errori ed eseguito complessi algoritmi quantistici con correzione degli errori su 48 qubit logici. Questo lavoro rappresenta un importante progresso verso la realizzazione di un computer quantistico universalmente applicabile.
I qubit sono le unità di calcolo di un computer quantistico e l'equivalente quantomeccanico dei bit classici. Un qubit logico, che esegue le operazioni aritmetiche vere e proprie, è composto da diversi qubit fisici. Questi sono necessari per correggere gli errori che si verificano durante i calcoli della meccanica quantistica. Recentemente, le due aziende tecnologiche statunitensi Google e IBM hanno dato il via allo sviluppo di processori quantistici sempre più grandi. Ad esempio, IBM ha presentato il 4 dicembre 2023 un nuovo chip chiamato "Condor" con 1121 qubit fisici. Tuttavia, il numero di qubit installati non è il fattore decisivo. Molti team si stanno quindi concentrando sull'esplorazione di nuovi approcci e sull'aumento del numero di qubit logici interconnessi.
Mentre Google e IBM utilizzano come qubit minuscoli circuiti superconduttori, in cui le cariche elettriche oscillano a volte in una direzione e a volte nell'altra, il team guidato da Dolev Bluvstein, primo autore del nuovo studio di "Nature", si sta concentrando sugli stati eccitati degli atomi di rubidio. Per farlo, gli elettroni esterni vengono portati a livelli di energia molto elevati (i cosiddetti stati di Rydberg) lontano dal nucleo atomico utilizzando la luce laser - ma non vengono scissi come negli ioni, quindi gli atomi rimangono privi di carica. Per poterli utilizzare per i calcoli quantistici, i ricercatori devono tenere gli atomi eccitati con altri laser come se fossero delle pinzette. In questo modo, possono anche essere spostati come richiesto in una disposizione bidimensionale. Il rispettivo posizionamento dei qubit rende possibile la programmazione della macchina. Il vantaggio: a differenza dei qubit superconduttori, ad esempio, i chip quantistici non devono essere raffreddati a pochi millikelvin con l'elio; al contrario, i computer possono essere utilizzati a temperatura ambiente. Inoltre, tutti gli atomi sono identici e non sono influenzati da eventuali imprecisioni di fabbricazione. Anche diversi gruppi di ricerca in Germania stanno lavorando a un'architettura di computer quantistici di questo tipo.
Gli esperti prevedono che un giorno le macchine saranno in grado di svolgere compiti che i computer tradizionali non riescono a svolgere. Ad esempio, potrebbero aiutare nella ricerca sui materiali, nello sviluppo di nuovi farmaci o nella risoluzione di problemi complessi nei settori bancario e assicurativo. Tuttavia, i qubit sono molto sensibili alle influenze esterne e spesso cambiano il loro stato involontariamente durante il calcolo. Di conseguenza, producono ripetutamente risultati errati. Riconoscere e correggere questi errori senza distruggere il fragile stato quantistico è il compito dei metodi di correzione degli errori. Senza queste tecniche, i computer quantistici non possono realizzare il potenziale loro attribuito.
L'informazione quantistica non può essere semplicemente copiata
La sfida particolare rispetto ai meccanismi di correzione degli errori dei computer classici, tuttavia, è il "teorema di non clonazione". Questo teorema afferma che l'informazione quantistica non può essere semplicemente copiata. Ciò significa che non esiste un "back-up". Inoltre, la meccanica quantistica non consente di leggere lo stato di un singolo qubit senza interrompere l'intero calcolo. Per aggirare questo problema, le informazioni memorizzate devono essere trasferite da un qubit a un sistema aggrovigliato di altri qubit. L'informatico statunitense Peter Shor ha sviluppato l'idea di questo sistema negli anni '90. Un'unità funzionale di questo tipo, composta da diversi qubit fisici, è nota come qubit logico.
Fino ad oggi, si riteneva che un qubit logico corretto da errori richiedesse più di 1000 qubit fisici. Una macchina in grado di eseguire calcoli utili dovrebbe quindi avere milioni di qubit fisici. Tuttavia, il gruppo di Bluvstein è riuscito a migliorare ulteriormente i precedenti metodi di correzione degli errori. L'efficienza della correzione degli errori si riflette in un dato chiamato "distanza di codice": distanze di codice maggiori significano una maggiore resistenza agli errori quantistici, ma richiedono anche più qubit fisici. Nessun altro team al mondo ha ancora dimostrato una distanza di codice pari a sette. Ciò consente di rilevare e correggere tre errori qualsiasi all'interno di un qubit logico, che possono verificarsi in ciascuno dei qubit fisici. Inoltre, il team sostiene di aver dimostrato per la prima volta che l'aumento della distanza di codice riduce effettivamente la tolleranza agli errori nelle operazioni logiche. Questo non è evidente, poiché la probabilità di errore aumenta con l'aumentare del numero di qubit.
I revisori esterni dell'articolo di ricerca descrivono il lavoro del team come "impressionante", come "un progresso significativo" e come "la prova che questa tecnologia ha recuperato terreno ed è ora una delle principali architetture per un computer quantistico". Immanuel Bloch, direttore dell'Istituto Max Planck di Ottica Quantistica di Garching, vicino a Monaco di Baviera, e lui stesso uno dei principali ricercatori del settore, ha descritto i risultati a "Spektrum.de" come "un lavoro molto bello" che ha un grande potenziale.
Il prossimo passo, tuttavia, sarà quello di migliorare la qualità del lavoro.
Il prossimo passo, tuttavia, deve essere quello di individuare e correggere gli errori durante il calcolo, non a posteriori. Solo allora il sistema si avvicinerà davvero a essere una macchina universalmente applicabile. "Questo è un momento entusiasmante per il nostro campo di ricerca, poiché l'approccio alla correzione degli errori e alla tolleranza agli errori quantistici sta iniziando a dare i suoi frutti", ha dichiarato Mikhail Lukin, co-direttore della Harvard Quantum Initiative e co-fondatore della start-up QuEra Computing. I progressi sono stati raggiunti con un sistema che assomiglia a un processore quantistico di seconda generazione non ancora rilasciato da QuEra, ma che è ancora installato nei locali dell'Università di Harvard. "Questo nuovo passo accelererà in modo significativo lo sviluppo di potenti computer quantistici e promuoverà la prossima fase dell'innovazione". Forse il computer quantistico riceverà una raccomandazione per le scuole superiori tra qualche anno.
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Immagine di copertina: Shutterstock / Bartlomiej K. Wroblewski
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