L'anno scorso, i ricercatori del Fermilab hanno ricevuto oltre 3,5 milioni di dollari per progetti che approfondiscono il fiorente campo della scienza dell'informazione quantistica. La ricerca finanziata dalla sovvenzione spazia dalla costruzione e modellazione di dispositivi per un possibile utilizzo nello sviluppo di computer quantistici all'utilizzo di atomi ultrafreddi per cercare la materia oscura.

Per il loro progetto di computer quantistico, Il fisico delle particelle del Fermilab Adam Lyon e lo scienziato informatico Jim Kowalkowski stanno collaborando con i ricercatori dell'Argonne National Laboratory, dove eseguiranno simulazioni su computer ad alte prestazioni. Il loro lavoro aiuterà a determinare se strumenti chiamati cavità a radiofrequenza superconduttrici, utilizzato anche negli acceleratori di particelle, può risolvere uno dei maggiori problemi che affliggono il successo dello sviluppo di un computer quantistico:la decoerenza dei qubit.

"Fermilab è stato il pioniere della creazione di cavità superconduttrici in grado di accelerare le particelle a un livello estremamente elevato in una breve quantità di spazio, " disse Lione, uno dei principali scienziati del progetto. "Si scopre che questo è direttamente applicabile a un qubit."

I ricercatori del settore hanno lavorato allo sviluppo di dispositivi di calcolo quantistico di successo negli ultimi decenni; finora, è stato difficile. Ciò è principalmente dovuto al fatto che i computer quantistici devono mantenere condizioni molto stabili per mantenere i qubit in uno stato quantistico chiamato sovrapposizione.

sovrapposizione

I computer classici utilizzano un sistema binario di zero e uno, chiamato bit, per archiviare e analizzare i dati. Otto bit combinati creano un byte di dati, che possono essere messi insieme per codificare ancora più informazioni. (Ci sono circa 31,8 milioni di byte nella canzone digitale media di tre minuti.) Al contrario, i computer quantistici non sono vincolati da un rigido sistema binario. Piuttosto, operano su un sistema di qubit, ognuno dei quali può assumere un intervallo continuo di stati durante il calcolo. Proprio come un elettrone in orbita attorno a un nucleo atomico non ha una posizione discreta ma occupa tutte le posizioni nella sua orbita contemporaneamente in una nuvola di elettroni, un qubit può essere mantenuto in una sovrapposizione sia di zero che di uno.

Poiché ci sono due possibili stati per ogni dato qubit, una coppia raddoppia la quantità di informazioni che possono essere manipolate:2 ² =4. Usa quattro qubit, e quella quantità di informazioni cresce fino a 2 ⁴ =16. Con questo aumento esponenziale, ci vorrebbero solo 300 qubit entangled per codificare più informazioni di quanta ci sia materia nell'universo.

Posizioni parallele

I qubit non rappresentano i dati allo stesso modo dei bit. Poiché i qubit in sovrapposizione sono sia zero che uno allo stesso tempo, possono rappresentare allo stesso modo tutte le possibili risposte a un dato problema contemporaneamente. Questo è chiamato parallelismo quantistico, ed è una delle proprietà che rende i computer quantistici molto più veloci dei sistemi classici.

La differenza tra i computer classici e le loro controparti quantistiche potrebbe essere paragonata a una situazione in cui c'è un libro con alcune pagine stampate casualmente con inchiostro blu anziché nero. Ai due computer viene assegnato il compito di determinare quante pagine sono state stampate in ciascun colore.

"Un computer classico esaminerebbe ogni pagina, " disse Lyon. Ogni pagina sarebbe stata segnata, uno alla volta, come stampato in nero o in blu. "Un computer quantistico, invece di scorrere le pagine in sequenza, li avrebbe attraversati tutti in una volta".

Una volta completato il calcolo, un computer classico ti darebbe un'idea precisa, risposta discreta. Se il libro avesse tre pagine stampate in blu, questa è la risposta che otterresti.

"Ma un computer quantistico è intrinsecamente probabilistico, " ha detto Kowalkowski.

Ciò significa che i dati che ottieni non sono definitivi. In un libro di 100 pagine, i dati di un computer quantistico non sarebbero solo tre. Potrebbe anche darti, Per esempio, una probabilità dell'uno per cento di avere tre pagine blu o una possibilità dell'uno per cento di 50 pagine blu.

Un problema ovvio sorge quando si cerca di interpretare questi dati. Un computer quantistico può eseguire calcoli incredibilmente veloci utilizzando qubit paralleli, ma sputa solo probabilità, quale, Certo, non è molto utile, a meno che, questo è, alla risposta giusta potrebbe in qualche modo essere data una probabilità più alta.

interferenza

Considera due onde d'acqua che si avvicinano l'una all'altra. Mentre si incontrano, possono interferire in modo costruttivo, producendo un'onda con una cresta più alta. Oppure possono interferire in modo distruttivo, annullandosi a vicenda in modo che non ci sia più nessuna onda di cui parlare. Gli stati Qubit possono anche agire come onde, esibendo gli stessi schemi di interferenza, una proprietà che i ricercatori possono sfruttare per identificare la risposta più probabile al problema che gli viene dato.

"Se riesci a creare interferenze tra le risposte giuste e le risposte sbagliate, puoi aumentare la probabilità che le risposte giuste compaiano più delle risposte sbagliate, "Ha detto Lyon. "Stai cercando di trovare un modo quantistico per far sì che le risposte corrette interferiscano in modo costruttivo e le risposte sbagliate interferiscano in modo distruttivo".

Quando un calcolo viene eseguito su un computer quantistico, lo stesso calcolo viene eseguito più volte, e i qubit possono interferire l'uno con l'altro. Il risultato è una curva di distribuzione in cui la risposta corretta è la risposta più frequente.

Ascolto di segnali al di sopra del rumore

Negli ultimi cinque anni, ricercatori nelle università, strutture governative e grandi aziende hanno fatto progressi incoraggianti verso lo sviluppo di un utile computer quantistico. L'anno scorso, Google ha annunciato di aver eseguito calcoli sul suo processore quantistico chiamato Sycamore in una frazione del tempo impiegato dal più grande supercomputer del mondo per completare lo stesso compito.

Eppure i dispositivi quantistici che abbiamo oggi sono ancora prototipi, simile ai primi grandi computer a valvole degli anni '90.

"Le macchine che abbiamo ora non si ingrandiscono affatto, ", ha detto Lione.

Ci sono ancora alcuni ostacoli che i ricercatori devono superare prima che i computer quantistici diventino praticabili e competitivi. Uno dei più grandi è trovare un modo per mantenere gli stati delicati dei qubit isolati abbastanza a lungo da consentire loro di eseguire calcoli.

Se un fotone vagante, una particella di luce, proveniente dall'esterno del sistema interagisse con un qubit, la sua onda interferirebbe con la sovrapposizione del qubit, essenzialmente trasformando i calcoli in un pasticcio confuso, un processo chiamato decoerenza. Mentre i frigoriferi fanno un lavoro moderatamente buono nel ridurre al minimo le interazioni indesiderate, possono farlo solo per una frazione di secondo.

"I sistemi quantistici amano essere isolati, "Lione ha detto, "e non c'è un modo semplice per farlo."

Ed è qui che entra in gioco il lavoro di simulazione di Lyon e Kowalkowski. Se i qubit non possono essere mantenuti abbastanza freddi da mantenere una sovrapposizione intricata di stati, forse i dispositivi stessi possono essere costruiti in modo da renderli meno suscettibili al rumore.

Si scopre che cavità superconduttrici fatte di niobio, normalmente utilizzato per spingere fasci di particelle negli acceleratori, potrebbe essere la soluzione. Queste cavità devono essere costruite in modo molto preciso e operare a temperature molto basse per propagare in modo efficiente le onde radio che accelerano i fasci di particelle. I ricercatori teorizzano che posizionando processori quantistici in queste cavità, i qubit saranno in grado di interagire indisturbati per secondi invece del record attuale di millisecondi, dando loro il tempo sufficiente per eseguire calcoli complessi.

I qubit sono disponibili in diverse varietà. Possono essere creati intrappolando ioni all'interno di un campo magnetico o utilizzando atomi di azoto circondati dal reticolo di carbonio formato naturalmente nei cristalli. La ricerca al Fermilab e all'Argonne si concentrerà sui qubit costituiti da fotoni.

Lyon e il suo team si sono assunti il ​​compito di simulare le prestazioni previste dalle cavità a radiofrequenza. Eseguendo le loro simulazioni su computer ad alte prestazioni, noti come HPC, al Laboratorio Nazionale Argonne, possono prevedere per quanto tempo i qubit di fotoni possono interagire in questo ambiente a bassissimo rumore e tenere conto di eventuali interazioni impreviste.

I ricercatori di tutto il mondo hanno utilizzato software open source per computer desktop per simulare diverse applicazioni della meccanica quantistica, fornendo agli sviluppatori progetti su come incorporare i risultati nella tecnologia. La portata di questi programmi, però, è limitato dalla quantità di memoria disponibile sui personal computer. Per simulare il ridimensionamento esponenziale di più qubit, i ricercatori devono usare gli HPC.

"Passare da un desktop a un HPC, potresti avere 10 anni, 000 volte più veloce, " ha detto Matteo Otten, un borsista all'Argonne National Laboratory e collaboratore del progetto.

Una volta che il team ha completato le simulazioni, i risultati saranno utilizzati dai ricercatori del Fermilab per aiutare a migliorare e testare le cavità per agire come dispositivi computazionali.

"Se impostiamo un framework di simulazione, possiamo porre domande molto mirate sul modo migliore per archiviare le informazioni quantistiche e sul modo migliore per manipolarle, " ha detto Eric Holland, il vice capo della tecnologia quantistica al Fermilab. "Possiamo usarlo per guidare ciò che sviluppiamo per le tecnologie quantistiche".