Un team del Dartmouth College e del MIT ha progettato e condotto il primo test di laboratorio per rilevare e caratterizzare con successo una classe di complessi, Processi di rumore "non gaussiani" che si incontrano abitualmente nei sistemi di calcolo quantistico superconduttore.

La caratterizzazione del rumore non gaussiano nei bit quantistici superconduttori è un passo fondamentale per rendere questi sistemi più precisi.

Lo studio congiunto, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare ad accelerare la realizzazione di sistemi di calcolo quantistico. L'esperimento si basava su precedenti ricerche teoriche condotte a Dartmouth e pubblicate in Lettere di revisione fisica nel 2016.

"Questo è il primo passo concreto verso il tentativo di caratterizzare tipi più complicati di processi di rumore rispetto a quelli comunemente assunti nel dominio quantistico, " disse Lorenza Viola, un professore di fisica a Dartmouth che ha guidato lo studio del 2016 e la componente teorica del presente lavoro. "Poiché le proprietà di coerenza dei qubit vengono costantemente migliorate, è importante rilevare il rumore non gaussiano per costruire i sistemi quantistici più precisi possibili".

I computer quantistici differiscono dai computer tradizionali andando oltre il sequenziamento binario "on-off" favorito dalla fisica classica. I computer quantistici si basano su bit quantistici, noti anche come qubit, costituiti da particelle atomiche e subatomiche.

Essenzialmente, i qubit possono essere posizionati contemporaneamente in una combinazione di entrambe le posizioni "on" e "off". Possono anche essere "impigliati, " significa che le proprietà di un qubit possono influenzarne un altro a distanza.

I sistemi qubit superconduttori sono considerati uno dei principali contendenti nella corsa alla costruzione scalabile, computer quantistici ad alte prestazioni. Ma, come altre piattaforme qubit, sono altamente sensibili al loro ambiente e possono essere influenzati sia dal rumore esterno che dal rumore interno.

Il rumore esterno nei sistemi di calcolo quantistico potrebbe provenire dall'elettronica di controllo o da campi magnetici vaganti. Il rumore interno potrebbe provenire da altri sistemi quantistici incontrollati come le impurità materiali. La capacità di ridurre il rumore è uno degli obiettivi principali nello sviluppo dei computer quantistici.

"La grande barriera che ci impedisce di avere computer quantistici su larga scala ora è questo problema di rumore". disse Leigh Norris, un associato post-dottorato a Dartmouth che è stato coautore dello studio. "Questa ricerca ci spinge verso la comprensione del rumore, che è un passo verso la cancellazione, e si spera di avere un computer quantistico affidabile un giorno".

Il rumore indesiderato è spesso descritto in termini di semplici modelli "gaussiani", in cui la distribuzione di probabilità delle fluttuazioni casuali del rumore crea un ambiente familiare, curva gaussiana a campana. Il rumore non gaussiano è più difficile da descrivere e rilevare perché non rientra nell'intervallo di validità di queste ipotesi e perché potrebbe semplicemente essercene di meno.

Ogni volta che le proprietà statistiche del rumore sono gaussiane, una piccola quantità di informazioni può essere utilizzata per caratterizzare il rumore, vale a dire, le correlazioni solo in due momenti distinti, o equivalente, in termini di descrizione nel dominio della frequenza, il cosiddetto "spettro del rumore".

Grazie alla loro elevata sensibilità all'ambiente circostante, i qubit possono essere usati come sensori del proprio rumore. Basandosi su questa idea, i ricercatori hanno compiuto progressi nello sviluppo di tecniche per identificare e ridurre il rumore gaussiano nei sistemi quantistici, simile a come funzionano le cuffie con cancellazione del rumore.

Sebbene non sia comune come il rumore gaussiano, identificare e cancellare il rumore non gaussiano è una sfida altrettanto importante per la progettazione ottimale di sistemi quantistici.

Il rumore non gaussiano si distingue per schemi di correlazioni più complicati che coinvolgono più punti nel tempo. Di conseguenza, sono necessarie molte più informazioni sul rumore per poterlo identificare.

Nello studio, i ricercatori sono stati in grado di approssimare le caratteristiche del rumore non gaussiano utilizzando informazioni sulle correlazioni in tre momenti diversi, corrispondente a quello che è noto come "bispettro" nel dominio della frequenza.

"Questa è la prima volta che un dettagliato, la caratterizzazione risolta in frequenza del rumore non gaussiano è stata eseguita in laboratorio con i qubit. Questo risultato espande in modo significativo la cassetta degli attrezzi che abbiamo a disposizione per eseguire un'accurata caratterizzazione del rumore e quindi creare qubit migliori e più stabili nei computer quantistici, " disse Viola.

Un computer quantistico che non è in grado di rilevare il rumore non gaussiano potrebbe essere facilmente confuso tra il segnale quantistico che dovrebbe elaborare e il rumore indesiderato nel sistema. I protocolli per ottenere la spettroscopia del rumore non gaussiano non esistevano fino allo studio di Dartmouth nel 2016.

Mentre l'esperimento del MIT per convalidare il protocollo non renderà immediatamente praticabili i computer quantistici su larga scala, è un passo importante per renderli più precisi.

"Questa ricerca è iniziata sulla lavagna. Non sapevamo se qualcuno sarebbe stato in grado di metterla in pratica, ma nonostante significative sfide concettuali e sperimentali, lo ha fatto il team del MIT, " ha detto Felix Beaudoin, un ex studente post-dottorato di Dartmouth nel gruppo di Viola che ha anche svolto un ruolo fondamentale nel collegamento tra teoria ed esperimento nello studio.

"È stata una gioia assoluta collaborare con Lorenza Viola e il suo fantastico team di teoria a Dartmouth, " ha detto William Oliver, professore di fisica al MIT. "Lavoriamo insieme da anni su diversi progetti e, mentre l'informatica quantistica passa dalla curiosità scientifica alla realtà tecnica, Anticipo la necessità di una maggiore collaborazione interdisciplinare e interistituzionale".

Secondo il gruppo di ricerca, sono ancora necessari anni di lavoro aggiuntivo per perfezionare il rilevamento e la cancellazione del rumore nei sistemi quantistici. In particolare, la ricerca futura si sposterà da un sistema a sensore singolo a un sistema a due sensori, consentendo la caratterizzazione delle correlazioni di rumore tra diversi qubit.