La comunicazione quantistica, a differenza della sua controparte classica, utilizza i principi della meccanica quantistica per trasmettere informazioni. Ciò offre un potenziale significativo per metodi di comunicazione sicuri e ha catturato l’attenzione della comunità scientifica. Tuttavia, l’informazione quantistica è intrinsecamente fragile e soggetta a errori, principalmente a causa delle interazioni con l’ambiente circostante.
La correzione dell'errore quantistico (QEC) è stata proposta come soluzione a queste sfide. Incorporando qubit ridondanti nelle informazioni trasmesse ed eseguendo operazioni specifiche, le tecniche QEC possono rilevare e correggere gli errori che potrebbero verificarsi durante la trasmissione. Tuttavia, l’approccio convenzionale al QEC prevede complesse interazioni multi-qubit che richiedono un controllo preciso e un feedback in tempo reale, che sono stati considerati ostacoli significativi alla sua implementazione.
Nel loro studio, la dottoressa Simmons e i suoi colleghi sono riusciti a superare queste sfide attraverso un nuovo approccio che coinvolge un sistema ibrido quantistico-classico. Hanno realizzato la QEC interlacciando il calcolo quantistico in qubit a stato solido con il calcolo classico su un gate array programmabile sul campo (FPGA). Questa configurazione consentiva la correzione degli errori in tempo reale durante la trasmissione delle informazioni quantistiche.
Il team ha implementato un protocollo QEC noto come codice a tre qubit. Questo protocollo richiede tre qubit fisici per codificare un singolo qubit di informazioni quantistiche. Sfruttando l'FPGA per il monitoraggio in tempo reale, gli errori sono stati rilevati e corretti in tempo reale, preservando l'integrità delle informazioni quantistiche trasmesse.
La dimostrazione della QEC in tempo reale rappresenta un importante passo avanti nelle comunicazioni quantistiche. Apre la strada allo sviluppo di reti di comunicazione quantistica più affidabili, che potrebbero fornire le basi per protocolli di comunicazione ultrasicuri e progressi nell’informatica quantistica e nel rilevamento quantistico.
Per comprendere meglio il significato di questo risultato, approfondiamo le implicazioni e le potenziali applicazioni della QEC in tempo reale nelle comunicazioni quantistiche:
1. Comunicazione sicura:la comunicazione quantistica offre la promessa di canali di comunicazione indistruttibili, soprattutto in scenari che coinvolgono lo scambio di informazioni sensibili o comunicazioni diplomatiche. Tuttavia, salvaguardare la trasmissione delle informazioni quantistiche da errori e tentativi di intercettazione è fondamentale per realizzare il pieno potenziale delle reti quantistiche. La QEC in tempo reale migliora la sicurezza delle comunicazioni quantistiche rilevando e correggendo gli errori che potrebbero derivare dal rumore e da altri effetti negativi.
2. Informatica quantistica:lo sviluppo dei computer quantistici ha raccolto notevole attenzione grazie al loro potenziale di accelerazione esponenziale nella risoluzione di problemi computazionali complessi che sono attualmente intrattabili con i computer classici. Tuttavia, i computer quantistici sono estremamente suscettibili agli errori, il che ne limita le applicazioni pratiche. La capacità di eseguire una QEC in tempo reale apre nuove possibilità per ottenere calcoli quantistici affidabili affrontando e mitigando gli errori che si verificano durante i calcoli.
3. Rilevamento quantistico:i sensori quantistici utilizzano fenomeni quantistici per misurare proprietà fisiche con sensibilità eccezionale, superando di gran lunga i sensori classici. La QEC in tempo reale può migliorare l’accuratezza e la precisione dei sensori quantistici riducendo al minimo l’impatto del rumore ambientale e di altre fonti di errore che potrebbero compromettere i risultati delle misurazioni. Ciò potrebbe consentire progressi in campi come il rilevamento biomedico, la microscopia e il rilevamento delle onde gravitazionali.
4. Metrologia quantistica:la metrologia quantistica sfrutta i principi quantistici per migliorare la precisione di varie misurazioni, come il cronometraggio, le misurazioni della distanza e il rilevamento del campo magnetico. La QEC in tempo reale può mitigare gli effetti della decoerenza e dell’imprecisione, consentendo misurazioni altamente accurate e prestazioni migliorate dei dispositivi metrologici quantistici.
In conclusione, la dimostrazione della correzione degli errori quantistici in tempo reale da parte dei fisici dell’UNSW rappresenta una pietra miliare significativa nel campo delle comunicazioni quantistiche. Superando le sfide associate agli approcci QEC convenzionali, questa svolta promette lo sviluppo di reti di comunicazione quantistica più sicure e progressi nell’informatica quantistica, nel rilevamento quantistico, nella metrologia quantistica e nelle tecnologie correlate.
