Se stai costruendo un computer quantistico con l'intenzione di fare calcoli nemmeno immaginabili con la tecnologia convenzionale di oggi, sei pronto per uno sforzo arduo. Caso in questione:stai approfondendo nuovi problemi e situazioni associati al lavoro fondamentale di sistemi nuovi e complicati e tecnologia all'avanguardia.

Questa è la vita per gli scienziati del Martinis Group presso l'UC Santa Barbara e Google, Inc., mentre esplorano l'eccitante ma anche un po' controintuitivo mondo dell'informatica quantistica. In un articolo pubblicato sulla rivista Fisica della natura , loro e i colleghi della Tulane University di New Orleans dimostrano una piattaforma relativamente semplice ma completa per l'elaborazione quantistica, integrando il controllo di tre qubit superconduttori.

"Stiamo sondando il limite delle nostre capacità, ", ha detto l'autore principale del giornale, Pedram Roushan. Ci sono stati parecchi sforzi per costruire e studiare singole parti di un processore quantistico, Lui ha spiegato, ma questo particolare progetto prevede di metterli tutti insieme in un blocco di base che può essere completamente controllato e potenzialmente ridimensionato in un computer quantistico funzionale.

Però, prima di un computer quantistico completamente praticabile, con tutto il suo potenziale per vasti, calcoli rapidi e simultanei:possono essere eseguiti, sorgono circostanze varie e talvolta imprevedibili e spontanee che devono essere comprese man mano che i ricercatori perseguono un maggiore controllo e sofisticazione del loro sistema.

"Hai a che fare con particelle, qubit in questo caso, che interagiscono tra loro, e interagiscono con campi esterni, "Ha detto Roushan. "Tutto questo porta a una fisica molto complicata."

Per aiutare a risolvere questo particolare problema a molti corpi, Lui ha spiegato, il loro sistema di elaborazione quantistica completamente controllabile doveva essere costruito da un singolo qubit in su, al fine di offrire ai ricercatori l'opportunità di comprendere più chiaramente gli stati, comportamenti e interazioni che possono verificarsi.

Ingegnerizzando le sequenze di impulsi utilizzate per manipolare gli spin dei fotoni nel loro sistema, i ricercatori hanno creato un campo magnetico artificiale che influenza il loro circuito chiuso di tre qubit, facendo sì che i fotoni interagiscano fortemente non solo tra loro, ma anche con il campo pseudomagnetico. Non è un'impresa da poco.

"Naturalmente la maggior parte dei sistemi in cui c'è un buon controllo sono sistemi fotonici, " ha detto il co-autore Charles Neill. A differenza degli elettroni, i fotoni privi di carica generalmente tendono a non interagire tra loro né con campi magnetici esterni, Lui ha spiegato. "In questo articolo mostriamo che possiamo farli interagire tra loro in modo molto forte, e interagiscono con un campo magnetico molto forte, quali sono le due cose che devi fare per fargli fare fisica interessante con i fotoni, "Ha detto Neil.

Un altro vantaggio di questo sistema di materia condensata sintetica è la capacità di guidarlo nel suo stato energetico più basso, chiamato stato fondamentale, per sondarne le proprietà.

Ma con un maggiore controllo arriva il potenziale per una maggiore decoerenza. Mentre i ricercatori si sforzavano di ottenere una maggiore programmabilità e capacità di influenzare e leggere i qubit, più era probabile che il loro sistema fosse aperto all'errore e alla perdita di informazioni.

"Più controllo abbiamo su un sistema quantistico, gli algoritmi più complessi che saremmo in grado di eseguire, " ha detto il co-autore Anthony Megrant. "Tuttavia, ogni volta che aggiungiamo una linea di controllo, stiamo anche introducendo una nuova fonte di decoerenza." A livello di un singolo qubit, un piccolo margine di errore può essere tollerato, hanno spiegato i ricercatori, ma anche con un aumento relativamente piccolo del numero di qubit, il potenziale di errore si moltiplica in modo esponenziale.

"Ci sono queste correzioni che sono intrinsecamente quantomeccaniche, e poi iniziano a contare al livello di precisione a cui stiamo arrivando, "Ha detto Neil.

Per combattere il potenziale di errore aumentando il loro livello di controllo, il team ha dovuto riconsiderare sia l'architettura del circuito che il materiale utilizzato al suo interno. Invece del loro tradizionalmente a livello singolo, disposizione planare, i ricercatori hanno ridisegnato il circuito per consentire alle linee di controllo di "attraversare" le altre tramite un "ponte" metallico autoportante. Il dielettrico, il materiale isolante tra i fili di controllo conduttori, si è rivelato essere esso stesso una delle principali fonti di errori.

"Tutti i dielettrici depositati che conosciamo sono molto con perdite, "Megrant ha detto, e così è stato introdotto un substrato fabbricato in modo più preciso e meno difettoso per ridurre al minimo la probabilità di decoerenza.

Il progresso è incrementale ma solido, secondo i ricercatori, che continuano ad esplorare il vero potenziale del loro sistema quantistico. Aggiungi a quella delicata velocità di danza, che è essenziale per il tipo di prestazioni che vogliono vedere in un computer quantistico completamente operativo. Le basse velocità riducono gli errori di controllo ma rendono il sistema più vulnerabile ai limiti di coerenza e ai difetti imposti dai materiali. Le velocità elevate evitano l'influenza dei difetti nel materiale ma riducono la quantità di controllo che gli operatori hanno sul sistema, loro hanno detto.

Con questa piattaforma, però, il ridimensionamento sarà una realtà del futuro non troppo lontano, loro hanno detto.

"Se possiamo controllare questi sistemi in modo molto preciso, forse al livello di 30 qubit o giù di lì, possiamo arrivare al livello di fare calcoli che nessun computer convenzionale può fare, " disse Roushan.