I ricercatori dell'Università di Chicago hanno pubblicato una nuova tecnica per migliorare l'affidabilità dei computer quantistici accedendo a livelli di energia più elevati di quelli tradizionalmente considerati. La maggior parte del lavoro precedente nel calcolo quantistico si occupa di "qubit, " l'analogo quantistico dei bit binari che codificano zero o uno. Il nuovo lavoro sfrutta invece "qutrit, " analoghi quantistici di trit a tre livelli in grado di rappresentare lo zero, uno o due.

Il gruppo UChicago ha lavorato a fianco di ricercatori con sede presso la Duke University. Entrambi i gruppi fanno parte della collaborazione EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), una spedizione NSF nell'informatica. La ricerca interdisciplinare di EPiQC spazia dallo sviluppo di algoritmi e software alla progettazione di architetture e hardware, con l'obiettivo finale di realizzare più rapidamente l'enorme potenziale dell'informatica quantistica per la scoperta scientifica e l'innovazione informatica.

Accesso a livelli di energia più elevati

Il lavoro può essere visto nel contesto di un fondamentale compromesso spazio-temporale comune nell'informatica:i programmi possono essere velocizzati utilizzando più memoria, o in alternativa, i programmi possono ridurre i requisiti di memoria incorrendo in tempi di esecuzione più lunghi. Ma nel contesto dell'informatica quantistica, dove le macchine a breve termine sono fortemente limitate sia nella memoria che nei tempi di esecuzione supportati, nessuno di questi compromessi è accettabile.

La soluzione scoperta dal team EPiQC è stata quella di rompere l'astrazione dell'uso dei qubit binari. "Mentre la logica binaria ha senso per la fisica on-off alla base dei computer convenzionali, l'hardware quantistico non è intrinsecamente binario, " spiega il ricercatore Pranav Gokhale, uno studente laureato presso l'Università di Chicago. Infatti, gli stati su un computer quantistico appartengono a uno spettro infinito, quindi il qubit è semplicemente una scelta ingegnerizzata artificialmente di utilizzare solo due degli stati.

Il team ha scoperto che consentendo l'uso di tre stati tramite qutrit, una delle operazioni fondamentali nel calcolo quantistico è esponenzialmente più veloce senza richiedere memoria aggiuntiva. Il team ha verificato la loro scoperta con simulazioni eseguite in condizioni di rumore realistiche.

"I qutrit hanno un costo, poiché la presenza di uno stato aggiuntivo implica più possibili fonti di errore, " disse Gokhale. "Tuttavia, le nostre simulazioni dimostrano che i qutrit hanno un vantaggio convincente con un'affidabilità da due a dieci volte superiore rispetto agli algoritmi solo qubit per i benchmark a breve termine".

Colmare il divario tra hardware e software

La scoperta del team è ben abbinata all'attenzione interdisciplinare di EPiQC nel colmare il divario tra hardware quantistico e software. Una prima fase di questo lavoro è stata presentata alla Conferenza sull'elaborazione delle informazioni quantistiche questo gennaio, dove ha vinto il premio per il miglior poster. Da allora, la ricerca è stata messa a punto per abbinare modelli hardware sofisticati sviluppati in collaborazione con esperti che lavorano su computer quantistici superconduttori e a ioni intrappolati.

"Adattando algoritmi per sfruttare le capacità uniche dell'hardware quantistico, realizziamo guadagni di efficienza altrimenti nascosti dietro le barriere di astrazione tra hardware e software, " nota Fred Chong, Seymour Goodman Professore di Informatica presso UChicago e responsabile PI per EPiQC. "In questo caso, la nostra modellazione hardware ci ha portato a rivisitare e sfidare la saggezza convenzionale secondo cui l'operazione binaria è la migliore per il calcolo."

Il documento completo, "Miglioramenti asintotici ai circuiti quantistici tramite Qutrits, " è ora pubblicato su arXiv.