Gli scienziati dell'USC hanno dimostrato un metodo teorico per migliorare le prestazioni dei computer quantistici, un passo importante per scalare una tecnologia con il potenziale per risolvere alcune delle più grandi sfide della società.

Il metodo affronta un punto debole che ostacola le prestazioni dei computer di nuova generazione sopprimendo i calcoli errati e aumentando la fedeltà dei risultati, un passaggio fondamentale prima che le macchine possano superare i computer classici come previsto. Chiamato "disaccoppiamento dinamico, " ha funzionato su due computer quantistici, si è rivelato più semplice e affidabile di altri rimedi ed è possibile accedervi tramite il cloud, che è il primo per il disaccoppiamento dinamico.

La tecnica amministra scoppi staccati di minuscoli, impulsi energetici focalizzati per compensare i disturbi ambientali che mettono nel fango i calcoli sensibili. I ricercatori riferiscono di essere stati in grado di sostenere uno stato quantico fino a tre volte più a lungo di quanto si sarebbe verificato altrimenti in uno stato incontrollato.

"Questo è un passo avanti, " ha detto Daniel Lidar, professore di ingegneria elettrica, chimica e fisica all'USC e direttore dell'USC Center for Quantum Information Science and Technology (CQIST). "Senza soppressione degli errori, non c'è modo che l'informatica quantistica possa superare l'informatica classica."

I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica . Lidar è Viterbi Professor of Engineering presso la USC e corrispondente autore dello studio; ha guidato un team di ricercatori al CQIST, che è una collaborazione tra la USC Viterbi School of Engineering e la USC Dornsife School of Letters, Arti e Scienze. La startup IBM e Bay Area Rigetti Computing ha fornito l'accesso cloud ai loro computer quantistici.

I computer quantistici sono veloci, ma fragile

I computer quantistici hanno il potenziale per rendere obsoleti i super computer odierni e promuovere innovazioni in medicina, capacità finanziarie e di difesa. Sfruttano la velocità e il comportamento degli atomi, che funzionano in modo radicalmente diverso dai chip per computer in silicio, eseguire calcoli apparentemente impossibili.

L'informatica quantistica ha il potenziale per ottimizzare nuove terapie farmacologiche, modelli per il cambiamento climatico e progetti per nuove macchine. Possono ottenere una consegna più rapida dei prodotti, minori costi per i manufatti e trasporti più efficienti. Sono alimentati da qubit, i cavalli da lavoro subatomici e gli elementi costitutivi dell'informatica quantistica.

Ma i qubit sono capricciosi come le auto da corsa ad alte prestazioni. Sono veloci e hi-tech, ma incline all'errore e ha bisogno di stabilità per sostenere i calcoli. Quando non funzionano correttamente, producono scarsi risultati, che limita le loro capacità rispetto ai computer tradizionali. Gli scienziati di tutto il mondo devono ancora ottenere un "vantaggio quantistico, il punto in cui un computer quantistico supera un computer convenzionale in qualsiasi compito.

Il problema è "rumore, " un descrittore onnicomprensivo per perturbazioni come il suono, temperatura e vibrazioni. Può destabilizzare i qubit, che crea "decoerenza, "un turbamento che interrompe la durata dello stato quantistico, che riduce il tempo in cui un computer quantistico può eseguire un'attività ottenendo risultati accurati.

"Il rumore e la decoerenza hanno un grande impatto e rovinano i calcoli, e un computer quantistico con troppo rumore è inutile, " ha spiegato Lidar. "Ma se puoi abbattere i problemi associati al rumore, poi inizi ad avvicinarti al punto in cui i computer quantistici diventano più utili dei computer classici".

La ricerca USC abbraccia più piattaforme di calcolo quantistico

USC è l'unica università al mondo con un computer quantistico; il suo ricottore quantistico D-Wave da 1098 qubit è specializzato nella risoluzione di problemi di ottimizzazione. Parte dell'USC-Lockheed Martin Center for Quantum Computing, si trova presso l'Information Sciences Institute della USC. Però, gli ultimi risultati della ricerca sono stati ottenuti non sulla macchina D-Wave, ma su scala minore, computer quantistici per uso generico:QX5 a 16 qubit di IBM e Acorn a 19 qubit di Rigetti.

Per ottenere il disaccoppiamento dinamico (DD), i ricercatori hanno immerso i qubit superconduttori con un concentrato di impulsi temporizzati di minuscola energia elettromagnetica. Manipolando gli impulsi, gli scienziati sono stati in grado di avvolgere i qubit in un microambiente, sequestrato o disaccoppiato dal rumore ambientale circostante, perpetuando così uno stato quantistico.

"Abbiamo provato un semplice meccanismo per ridurre l'errore nelle macchine che si è rivelato efficace, " disse Bibek Pokharel, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica presso la USC Viterbi e primo autore dello studio.

Le sequenze temporali per gli esperimenti erano estremamente piccole con un massimo di 200 impulsi che si estendevano fino a 600 nanosecondi. Un miliardesimo di secondo, o un nanosecondo, è quanto tempo impiega la luce a percorrere un piede.

Per i computer quantistici IBM, fedeltà finale triplicata, dal 28,9 per cento all'88,4 per cento. Per il computer quantistico Rigetti, il miglioramento della fedeltà finale è stato del 17% più modesto, da 59,8 a 77,1, secondo lo studio. Gli scienziati hanno testato per quanto tempo poteva essere sostenuto il miglioramento della fedeltà e hanno scoperto che più impulsi miglioravano sempre le cose per il computer Rigetti, mentre c'era un limite di circa 100 impulsi per il computer IBM.

Globale, i risultati mostrano che il metodo DD funziona meglio di altri metodi di correzione degli errori quantistici che sono stati tentati finora, ha detto Lidar.

"Al meglio delle nostre conoscenze, " hanno scritto i ricercatori, "questo equivale alla prima dimostrazione inequivocabile della riuscita mitigazione della decoerenza nelle piattaforme qubit superconduttive basate su cloud ... prevediamo che le lezioni tratte avranno un'ampia applicabilità".

La posta in gioco alta nella corsa alla supremazia quantistica

La ricerca della supremazia dell'informatica quantistica è una priorità geopolitica per l'Europa, Cina, Canada, Australia e Stati Uniti. Il vantaggio ottenuto acquistando il primo computer che rende obsoleti tutti gli altri computer sarebbe enorme e conferirebbe vantaggi economici, vantaggi militari e di salute pubblica per il vincitore.

Il Congresso sta valutando due nuove leggi per stabilire gli Stati Uniti come leader nell'informatica quantistica. Nel mese di settembre, la Camera dei Rappresentanti ha approvato il National Quantum Initiative Act per stanziare 1,3 miliardi di dollari in cinque anni per stimolare la ricerca e lo sviluppo. Creerebbe un Ufficio di coordinamento quantistico nazionale alla Casa Bianca per supervisionare la ricerca a livello nazionale. Una fattura separata, il Quantum Computing Research Act del senatore Kamala Harris, D-California, dirige il Dipartimento della Difesa a guidare uno sforzo di calcolo quantistico.

"Il calcolo quantistico è la prossima frontiera tecnologica che cambierà il mondo e non possiamo permetterci di rimanere indietro, " Harris ha detto in osservazioni preparate. "Potrebbe creare posti di lavoro per la prossima generazione, curare le malattie e soprattutto rendere più forte e sicura la nostra nazione. ... Senza un'adeguata ricerca e coordinamento nell'informatica quantistica, rischiamo di restare indietro rispetto alla nostra concorrenza globale nella corsa al cyberspazio, che ci rende vulnerabili agli attacchi dei nostri avversari, " lei disse.