Gli scienziati dell'Università di Sydney hanno per la prima volta dimostrato il miglioramento dei computer quantistici utilizzando codici progettati per rilevare e scartare gli errori nelle porte logiche di tali macchine.

"Questa è davvero la prima volta che il beneficio promesso per le porte logiche quantistiche dalla teoria è stato realizzato in una vera macchina quantistica, " ha detto il dottor Robin Harper, autore principale di un nuovo articolo pubblicato questa settimana sulla prestigiosa rivista, Lettere di revisione fisica .

Le porte logiche quantistiche sono formate da reti entangled di un piccolo numero di bit quantistici, o qubit. Sono gli interruttori che consentono ai computer quantistici di eseguire algoritmi, o ricette, elaborare informazioni ed eseguire calcoli.

Il dottor Harper e il suo collega, il professor Steven Flammia, dalla Scuola di Fisica e dall'Università di Sydney Nano Institute, ha utilizzato il computer quantistico di IBM per testare i codici di rilevamento degli errori. Hanno dimostrato un miglioramento di ordine di grandezza nel ridurre l'infedeltà, o tassi di errore, nelle porte logiche quantistiche, gli interruttori che formeranno la base di computer quantistici pienamente funzionanti.

Dott. Jay Gambetta, IBM Fellow e principale scienziato teorico con IBM Q, ha dichiarato:"Questo documento è un ottimo esempio di come gli scienziati possono utilizzare i nostri sistemi cloud disponibili pubblicamente per sondare problemi fondamentali. Qui Harper e Flammia mostrano che le idee sulla tolleranza ai guasti possono essere esplorate su dispositivi reali che stiamo costruendo e già implementando, oggi."

Le tecnologie quantistiche sono ancora agli inizi, ma promettono di rivoluzionare l'informatica nel 21° secolo eseguendo calcoli ritenuti al di là delle capacità dei supercomputer più grandi e veloci.

Lo faranno utilizzando le proprietà insolite della materia su scala quantistica che consentono loro di elaborare le informazioni utilizzando i qubit. Questi sono elementi di calcolo che utilizzano il fatto che gli oggetti quantistici possono esistere in uno stato indeterminato, noto come sovrapposizione, e può diventare "impigliato", un fenomeno che descrive un comportamento non visto nei computer convenzionali.

Però, il "rumore" elettronico interrompe facilmente questi stati, produrre rapidamente errori nei calcoli quantistici, il che rende molto difficile lo sviluppo di macchine utili.

"I dispositivi attuali tendono ad essere troppo piccoli, con interconnessione limitata tra qubit e sono troppo "rumorosi" per consentire calcoli significativi, "Il dottor Harper ha detto. "Tuttavia, sono sufficienti per fungere da banco di prova per la prova dei concetti di principio, come rilevare e potenzialmente correggere errori utilizzando codici quantistici."

Considerando che i classici interruttori nel tuo laptop o telefono cellulare possono funzionare per molti anni senza errori, in questa fase gli interruttori quantistici iniziano a guastarsi dopo poche frazioni di secondo.

"Un modo per vedere questo è attraverso il concetto di entropia, " disse il professor Flammia. "Tutti i sistemi tendono al disordine. Nei computer convenzionali, i sistemi vengono aggiornati facilmente e ripristinati utilizzando DRAM e altri metodi, scaricando efficacemente l'entropia fuori dal sistema, consentendo il calcolo ordinato, " Egli ha detto.

"Nei sistemi quantistici, metodi di ripristino efficaci per combattere l'entropia sono molto più difficili da progettare. I codici che usiamo sono un modo per scaricare questa entropia dal sistema, " disse la professoressa Flammia, che oggi è stato insignito della prestigiosa Medaglia Pawsey dall'Accademia australiana delle scienze.

Utilizzo di codici per rilevare ed eliminare gli errori sul dispositivo quantistico di IBM, Il Dr. Harper e il Professor Flammia hanno mostrato che i tassi di errore sono scesi dal 5,8 percento allo 0,60 percento. Quindi, piuttosto che una porta quantistica su 20 che fallisce, solo uno su 200 fallirebbe, un miglioramento di ordine di grandezza.

"Questo è un importante passo avanti per sviluppare la tolleranza ai guasti nei sistemi quantistici per consentire loro di scalare fino a dispositivi significativi, " ha detto il dottor Harper.

I fisici, che sono entrambi ricercatori dell'ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems, ha sottolineato che questa era una dimostrazione di porte tolleranti ai guasti su coppie di qubit.

"C'è ancora molta strada da fare prima che la comunità quantistica possa dimostrare il calcolo tollerante ai guasti, " Ha detto il dottor Harper. Ha detto che altri gruppi hanno mostrato miglioramenti in altri aspetti dei dispositivi quantistici usando i codici. Il passo successivo è sintetizzare e testare questi approcci su dispositivi su larga scala di poche decine di qubit che consentono il riutilizzo e la reinizializzazione di qubit.

Aziende come IBM, Google, Rigetti e IonQ hanno iniziato o stanno per iniziare a consentire ai ricercatori quantistici di testare i loro approcci teorici su questi piccoli, macchine rumorose.

"Questi esperimenti sono la prima conferma che la capacità teorica di rilevare errori nel funzionamento delle porte logiche utilizzando codici quantistici è vantaggiosa nei dispositivi attuali, un passo significativo verso l'obiettivo di costruire computer quantistici su larga scala, " ha detto il dottor Harper.