In un passo verso il calcolo quantistico pratico, ricercatori del MIT, Google, e altrove hanno progettato un sistema in grado di verificare quando i chip quantistici hanno eseguito con precisione calcoli complessi che i computer classici non possono.

I chip quantistici eseguono calcoli utilizzando bit quantistici, chiamati "qubit, " che può rappresentare i due stati corrispondenti ai classici bit binari, uno zero o uno, o una "sovrapposizione quantistica" di entrambi gli stati contemporaneamente. Lo stato di sovrapposizione unico può consentire ai computer quantistici di risolvere problemi che sono praticamente impossibili per i computer classici, potenzialmente stimolare innovazioni nella progettazione dei materiali, scoperta di nuovi farmaci, e apprendimento automatico, tra le altre applicazioni.

I computer quantistici su vasta scala richiederanno milioni di qubit, che non è ancora fattibile. Negli ultimi anni, ricercatori hanno iniziato a sviluppare chip "Noisy Intermediate Scale Quantum" (NISQ), che contengono da 50 a 100 qubit. Questo è appena sufficiente per dimostrare "vantaggio quantistico, " il che significa che il chip NISQ può risolvere alcuni algoritmi che sono intrattabili per i computer classici. Verificando che i chip abbiano eseguito le operazioni come previsto, però, può essere molto inefficiente. Le uscite del chip possono sembrare del tutto casuali, quindi ci vuole molto tempo per simulare i passaggi per determinare se tutto è andato secondo i piani.

In un articolo pubblicato oggi in Fisica della natura , i ricercatori descrivono un nuovo protocollo per verificare in modo efficiente che un chip NISQ abbia eseguito tutte le corrette operazioni quantistiche. Hanno convalidato il loro protocollo su un problema quantistico notoriamente difficile in esecuzione su un chip fotonico quantistico personalizzato.

"Poiché i rapidi progressi nell'industria e nel mondo accademico ci portano all'apice delle macchine quantistiche in grado di superare le prestazioni delle macchine classiche, il compito della verifica quantistica diventa critico in termini di tempo, " dice il primo autore Jacques Carolan, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) e il Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE). "La nostra tecnica fornisce uno strumento importante per verificare un'ampia classe di sistemi quantistici. Perché se investo miliardi di dollari per costruire un chip quantistico, è sicuramente meglio fare qualcosa di interessante."

Insieme a Carolan sul documento ci sono ricercatori di EECS e RLE al MIT, anche dal laboratorio di intelligenza artificiale di Google Quantum, Tecnologie Elenion, lucemateria, e Zapata Informatica.

Dividere e conquistare

Il lavoro dei ricercatori essenzialmente traccia uno stato quantistico di output generato dal circuito quantistico fino a uno stato di input noto. Ciò rivela quali operazioni del circuito sono state eseguite sull'input per produrre l'output. Queste operazioni dovrebbero sempre corrispondere a ciò che i ricercatori hanno programmato. Altrimenti, i ricercatori possono utilizzare le informazioni per individuare dove le cose sono andate storte sul chip.

Al centro del nuovo protocollo, chiamato "Variational Quantum Unsampling, " si trova un approccio "divide et impera", Carolan dice, che suddivide lo stato quantistico in uscita in blocchi. "Invece di fare tutto in un colpo solo, che richiede molto tempo, facciamo questo riordino strato per strato. Questo ci permette di scomporre il problema per affrontarlo in modo più efficiente, "dice Carola.

Per questo, i ricercatori si sono ispirati alle reti neurali, che risolvono i problemi attraverso molti livelli di calcolo, per costruire una nuova "rete neurale quantistica" (QNN), dove ogni strato rappresenta un insieme di operazioni quantistiche.

Per eseguire il QNN, hanno utilizzato le tradizionali tecniche di fabbricazione del silicio per costruire un chip NISQ da 2 a 5 millimetri con oltre 170 parametri di controllo, componenti di circuiti sintonizzabili che facilitano la manipolazione del percorso dei fotoni. Coppie di fotoni vengono generate a lunghezze d'onda specifiche da un componente esterno e iniettate nel chip. I fotoni viaggiano attraverso gli sfasatori del chip, che cambiano il percorso dei fotoni, interferendo tra loro. Questo produce uno stato di output quantistico casuale, che rappresenta ciò che accadrebbe durante il calcolo. L'uscita viene misurata da una serie di sensori fotorilevatori esterni.

Tale output viene inviato al QNN. Il primo strato utilizza complesse tecniche di ottimizzazione per scavare nell'output rumoroso per individuare la firma di un singolo fotone tra tutti quelli mescolati insieme. Quindi, "riordina" quel singolo fotone dal gruppo per identificare quali operazioni del circuito lo riportano al suo stato di ingresso noto. Tali operazioni dovrebbero corrispondere esattamente al progetto specifico del circuito per l'attività. Tutti gli strati successivi eseguono lo stesso calcolo, rimuovendo dall'equazione tutti i fotoni precedentemente non codificati, finché tutti i fotoni non vengono decodificati.

Come esempio, diciamo che lo stato di input dei qubit inseriti nel processore era tutto zero. Il chip NISQ esegue una serie di operazioni sui qubit per generare un enorme, numero che cambia apparentemente casualmente come output. (Un numero di output cambierà costantemente poiché è in una sovrapposizione quantistica.) Il QNN seleziona pezzi di quel numero enorme. Quindi, strato per strato, determina quali operazioni riportano ogni qubit al suo stato di input pari a zero. Se le operazioni sono diverse dalle operazioni pianificate originali, allora qualcosa è andato storto. I ricercatori possono ispezionare eventuali discrepanze tra l'output previsto e gli stati di input, e utilizzare tali informazioni per modificare il design del circuito.

Bosone "unsampling"

Negli esperimenti, il team ha eseguito con successo un popolare compito computazionale utilizzato per dimostrare il vantaggio quantistico, chiamato "campionamento bosonico, " che di solito viene eseguito su chip fotonici. In questo esercizio, sfasatori e altri componenti ottici manipoleranno e convertiranno una serie di fotoni in ingresso in una diversa sovrapposizione quantistica di fotoni in uscita. In definitiva, il compito è calcolare la probabilità che un certo stato di input corrisponda a un certo stato di output. Questo sarà essenzialmente un campione da una distribuzione di probabilità.

Ma è quasi impossibile per i computer classici calcolare quei campioni, a causa del comportamento imprevedibile dei fotoni. È stato teorizzato che i chip NISQ possano calcolarli abbastanza rapidamente. Fino ad ora, però, non c'è stato modo di verificarlo rapidamente e facilmente, a causa della complessità delle operazioni NISQ e del compito stesso.

"Le stesse proprietà che danno a questi chip la potenza computazionale quantistica li rendono quasi impossibili da verificare, "dice Carola.

Negli esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di "decampionare" due fotoni che avevano attraversato il problema del campionamento dei bosoni sul loro chip NISQ personalizzato, e in una frazione di tempo sarebbero stati necessari approcci di verifica tradizionali.

"Questo è un eccellente articolo che utilizza una rete neurale quantistica non lineare per apprendere l'operazione unitaria sconosciuta eseguita da una scatola nera, "dice Stefano Pirandola, un professore di informatica specializzato in tecnologie quantistiche presso l'Università di York. "È chiaro che questo schema potrebbe essere molto utile per verificare le effettive porte eseguite da un circuito quantistico, [ad esempio] da un processore NISQ. Da questo punto di vista, lo schema funge da importante strumento di benchmarking per i futuri ingegneri quantistici. L'idea è stata notevolmente implementata su un chip quantistico fotonico".

Mentre il metodo è stato progettato per scopi di verifica quantistica, potrebbe anche aiutare a catturare proprietà fisiche utili, dice Carolan. Ad esempio, certe molecole quando eccitate vibreranno, quindi emettono fotoni in base a queste vibrazioni. Iniettando questi fotoni in un chip fotonico, Carolan dice, la tecnica di riordino potrebbe essere utilizzata per scoprire informazioni sulla dinamica quantistica di tali molecole per aiutare nella progettazione molecolare della bioingegneria. Potrebbe anche essere usato per decodificare i fotoni che trasportano informazioni quantistiche che hanno accumulato rumore passando attraverso spazi o materiali turbolenti.

"Il sogno è di applicare questo a problemi interessanti nel mondo fisico, "dice Carola.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.