La potenza di calcolo è cresciuta esponenzialmente nel corso di molti decenni, allora perché il prossimo salto tanto promesso dei computer quantistici impiega così tanto tempo ad arrivare?

Una ragione è che l'informazione in un sistema quantistico è sensibile al rumore che induce errori in un modo che l'informazione classica non lo è. Questo rumore è ovunque e inevitabile, derivanti da oscillazioni microscopiche di atomi ed elettroni in tutta la materia. Quindi dobbiamo inventare nuovi modi di affrontare gli errori quantistici.

Quando si effettua una telefonata in una rete congestionata, o grattare un CD, la tecnologia può ancora funzionare:le conversazioni rimangono comprensibili e la musica continua a suonare.

Questo perché questi dispositivi utilizzano codici di correzione degli errori:anche se gli errori corrompono il flusso di dati non elaborati, le informazioni logiche importanti possono ancora essere ricostruite. E questi possono essere adattati per il calcolo quantistico.

Un tempo su cui puoi contare

Per vedere come funziona per la codifica classica, considerare la soluzione utilizzata dai primi navigatori.

Sapevano che la longitudine poteva essere calcolata dall'elevazione del Sole purché fosse noto il tempo nel porto di origine, da qui l'imperativo navale di costruire in modo accurato, orologi stabili.

Idealmente, basterebbe un orologio, ma se qualcosa fosse andato storto? Due orologi sono meglio, purché entrambi siano d'accordo. Ma se non sono d'accordo, quale è giusto? Con tre orologi, un voto a maggioranza consente al cronometrista di rilevare e ripristinare un orologio ribelle.

Per i dati binari, rappresentato da 0 e 1, la ripetizione protegge le informazioni:un bit logico "0" è rappresentato in tre bit fisici come 000, mentre "1" è rappresentato come 111.

Supponiamo che durante la trasmissione dei dati di "0", l'ultimo bit fisico è stato capovolto accidentalmente, in modo che il messaggio ricevuto sia 001. Il destinatario vedrebbe immediatamente che un errore ha danneggiato i dati.

Ulteriore, votando a maggioranza, lei indovinerebbe che un errore ha colpito il terzo bit fisico, e decodificare correttamente il bit logico:"0". Finché gli errori sono rari, il codice di ripetizione consentirà la trasmissione affidabile dei dati logici su un canale soggetto a errori.

Incognite conosciute

Una ruga quantistica in questa immagine è che implica una "misurazione". Il destinatario sa esattamente quali bit fisici ha ricevuto (001 nell'esempio, sopra), il che implica che doveva misurarli (cioè, guardali).

Ma la meccanica quantistica ci dice che l'atto della misurazione cambia radicalmente lo stato di un sistema quantistico. La semplice misurazione dei bit quantistici (qubit) cambia il messaggio.

Quindi un ricevitore quantistico non può misurare direttamente i qubit, ma deve ancora capire se si sono verificati errori, e dove.

Per risolvere questo problema torniamo al codice di ripetizione come guida. Invece di guardare i valori dei bit, il destinatario potrebbe invece porre le seguenti due domande:

• Q1:il primo bit è uguale al secondo bit?
• Q2:il secondo bit è uguale al terzo bit?

Se non ci fossero errori, la risposta a entrambe queste domande sarebbe "sì", indipendentemente dal fatto che il messaggio fosse 000 o 111.

Ma se l'ultimo bit ha subito un errore (ricezione 001 o 110), la risposta a Q1 sarebbe "sì", ma Q2 sarebbe "no". Da questa risposta, il destinatario può dedurre l'esistenza di un errore e la sua posizione.

Allo stesso modo, un errore sul primo bit sarà rivelato dal pattern Q1="No", Q2="Sì". Un errore sul bit centrale sarà rivelato da Q1=Q2="No". Così, ogni singolo errore sarà determinato in modo univoco da queste risposte, e può essere riparato.

Sapendo quale bit fisico ha subito un errore, l'avrebbe aggiustata capovolgendo deliberatamente quel pezzo, per invertire l'effetto dell'errore originale. Questo può accadere senza conoscere lo stato del bit danneggiato.

Si noti che rispondere a queste domande richiede solo una conoscenza comparativa dei bit ricevuti. Non dipende dal loro valore particolare, né le informazioni logiche codificate.

Questo principio cattura l'essenza dei codici di correzione degli errori quantistici. Ci consente di identificare contemporaneamente gli errori ed evitare di danneggiare le informazioni quantistiche.

Piuttosto che misurare il valore dei singoli qubit fisici, vengono poste una serie di domande comparative:"I qubit del gruppo A sono uguali tra loro?", "I qubit del gruppo B sono uguali tra loro?" e così via. Le risposte a queste domande forniscono indizi su dove si trovano gli errori, ma senza rivelare il messaggio stesso.

Queste risposte vengono quindi utilizzate per dedurre e correggere i probabili errori.

L'informazione quantistica logica è codificata in un'altra combinazione di qubit, che misuriamo solo quando vogliamo veramente scoprire lo stato quantistico logico.

Questo approccio è attivo, e computazionalmente costosi per grandi set di dati. Per alcune applicazioni, è necessario. Ma se gli ingegneri negli anni '40 avessero dovuto affrontare una lotta simile per sviluppare i primi computer, Sospetto che il portatile su cui sto scrivendo non sarebbe mai stato costruito.

Stabilità magnetica

Anziché, sono stati fortunati, come la natura stessa esegue gratuitamente la correzione degli errori classica. I magneti sono incredibilmente stabili, quindi vengono utilizzati per memorizzare grandi quantità di informazioni nei dischi rigidi senza quasi alcuna correzione degli errori attiva.

I magneti sono solo raccolte di molti atomi magnetici che tendono ad allineare i loro assi magnetici l'uno con l'altro, quindi puntano tutti a "nord".

Se un raggio cosmico colpisce spontaneamente l'orientamento magnetico di un atomo, i suoi vicini atomici esercitano una forza magnetica che lo riallinea con la direzione maggioritaria. Quindi un magnete può essere pensato come un pezzo di materia che passivamente l'errore si corregge, a maggioranza locale.

Sfortunatamente per i computer quantistici, non conosciamo alcuno stato passivamente stabile della materia quantistica. Infatti, abbiamo prove matematiche che tale materia non può esistere in un universo bidimensionale, mentre può in un universo quadridimensionale.

Finora, non sappiamo se la materia quantistica passivamente stabile esista nel nostro universo tridimensionale.

Sappiamo che con abilità e risorse sufficienti, possiamo correggere attivamente gli errori quantistici.

Ma costruire una memoria quantistica è una sfida continua. Non c'è niente come un "magnete quantico" per memorizzare facilmente le informazioni quantistiche per noi. Dobbiamo progettare e costruire un tale sistema da zero, quasi letteralmente atomo per atomo.

Uno dei primi compiti principali che un computer quantistico svolgerà è eseguire la correzione degli errori quantistici su se stesso. Anche se questo suona prosaico, sarà la prima istanza nel nostro universo conosciuto di vera materia quantistica.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.