In un cristallo di diamante, tre nuclei di atomi di carbonio (mostrati in blu) circondano un punto vuoto chiamato centro vacante di azoto, che si comporta come un singolo elettrone (mostrato in rosso). I nuclei di carbonio agiscono come bit quantici, o qubit, e si scopre che la principale fonte di rumore che li disturba proviene dal nervoso "elettrone" nel mezzo. Comprendendo l'unica fonte di quel rumore, diventa più facile compensarlo, i ricercatori hanno scoperto. Credito:David Layden
I laboratori di tutto il mondo stanno correndo per sviluppare nuovi dispositivi di elaborazione e rilevamento che funzionano secondo i principi della meccanica quantistica e potrebbero offrire notevoli vantaggi rispetto alle loro controparti classiche. Ma queste tecnologie devono ancora affrontare diverse sfide, e uno dei più significativi è come affrontare il "rumore", fluttuazioni casuali che possono eliminare i dati archiviati in tali dispositivi.
Un nuovo approccio sviluppato dai ricercatori del MIT potrebbe fornire un significativo passo avanti nella correzione degli errori quantistici. Il metodo prevede la messa a punto del sistema per affrontare i tipi di rumore più probabili, piuttosto che gettare un'ampia rete per cercare di catturare tutte le possibili fonti di disturbo.
L'analisi è descritta nella rivista Lettere di revisione fisica , in un articolo dello studente laureato del MIT David Layden, postdoc Mo Chen, e la professoressa di scienze e ingegneria nucleare Paola Cappellaro.
"I problemi principali che affrontiamo ora nello sviluppo delle tecnologie quantistiche sono che i sistemi attuali sono piccoli e rumorosi, " dice Layden. Rumore, significa disturbo indesiderato di qualsiasi tipo, è particolarmente fastidioso perché molti sistemi quantistici sono intrinsecamente altamente sensibili, una caratteristica alla base di alcune delle loro potenziali applicazioni.
E c'è un altro problema, Layden dice, che è che i sistemi quantistici sono influenzati da qualsiasi osservazione. Così, mentre si può rilevare che un sistema classico sta andando alla deriva e applicare una correzione per spingerlo indietro, le cose sono più complicate nel mondo quantistico. "La cosa veramente complicata dei sistemi quantistici è che quando li guardi, tendi a farli crollare, " lui dice.
I classici schemi di correzione degli errori si basano sulla ridondanza. Per esempio, in un sistema di comunicazione soggetto a rumore, invece di inviare un singolo bit (1 o 0), si potrebbero inviare tre copie di ciascuno (111 o 000). Quindi, se i tre bit non corrispondono, che mostra che c'è stato un errore. Più copie di ogni bit vengono inviate, più efficace può essere la correzione degli errori.
Lo stesso principio essenziale potrebbe essere applicato all'aggiunta di ridondanza nei bit quantistici, o "qubit". Ma, Layden dice, "Se voglio avere un alto grado di protezione, Devo dedicare gran parte del mio sistema a questo tipo di controlli. E questo non è un punto di partenza in questo momento perché abbiamo sistemi abbastanza piccoli; semplicemente non abbiamo le risorse per fare una correzione degli errori quantistici particolarmente utile nel solito modo." Quindi, invece, i ricercatori hanno trovato un modo per indirizzare la correzione degli errori in modo molto ristretto ai tipi specifici di rumore più diffusi.
Il sistema quantistico con cui stanno lavorando è costituito da nuclei di carbonio vicino a un particolare tipo di difetto in un cristallo di diamante chiamato centro di vacanza di azoto. Questi difetti si comportano come singoli, elettroni isolati, e la loro presenza consente il controllo dei nuclei di carbonio vicini.
Ma il team ha scoperto che la stragrande maggioranza del rumore che colpisce questi nuclei proveniva da un'unica fonte:fluttuazioni casuali negli stessi difetti vicini. Questa sorgente di rumore può essere accuratamente modellata, e sopprimerne gli effetti potrebbe avere un impatto maggiore, poiché altre fonti di rumore sono relativamente insignificanti.
"In realtà capiamo abbastanza bene la principale fonte di rumore in questi sistemi, " Dice Layden. "Così non dobbiamo gettare un'ampia rete per catturare ogni ipotetico tipo di rumore."
Il team ha escogitato una diversa strategia di correzione degli errori, su misura per contrastare questo particolare, fonte di rumore dominante. Come lo descrive Layden, il rumore viene da "questo unico difetto centrale, o questo unico elettrone centrale, ' che ha la tendenza a saltellare a caso. Fa tremare."
quel nervosismo, a sua volta, è sentito da tutti quei nuclei vicini, in modo prevedibile che può essere corretto.
"Il risultato del nostro approccio è che siamo in grado di ottenere un livello fisso di protezione utilizzando molte meno risorse di quelle che sarebbero altrimenti necessarie, " dice. "Possiamo usare un sistema molto più piccolo con questo approccio mirato".
Il lavoro finora è teorico, e il team sta lavorando attivamente a una dimostrazione in laboratorio di questo principio in azione. Se funziona come previsto, questo potrebbe costituire una componente importante delle future tecnologie quantistiche di vario genere, dicono i ricercatori, compresi i computer quantistici che potrebbero potenzialmente risolvere problemi precedentemente irrisolvibili, o sistemi di comunicazione quantistica che potrebbero essere immuni allo spionaggio, o sistemi di sensori altamente sensibili.
"Questo è un componente che può essere utilizzato in diversi modi, " Dice Layden. "È come se stessimo sviluppando una parte fondamentale di un motore. Siamo ancora lontani dalla costruzione di una macchina completa, ma abbiamo fatto progressi su una parte critica".
"La correzione degli errori quantistici è la prossima sfida per il campo, "dice Alexandre Blais, professore di fisica all'Università di Sherbrooke, in Canada, che non era associato a questo lavoro. "La complessità degli attuali codici di correzione degli errori quantistici è, però, scoraggiante in quanto richiedono un numero molto elevato di qubit per codificare in modo robusto le informazioni quantistiche".
Blais aggiunge, "Ora ci siamo resi conto che sfruttare la nostra comprensione dei dispositivi in cui deve essere implementata la correzione degli errori quantistici può essere molto vantaggioso. Questo lavoro fornisce un contributo importante in questa direzione, mostrando che un tipo comune di errore può essere corretto in un modo molto più efficiente del previsto. Affinché i computer quantistici diventino pratici, abbiamo bisogno di più idee come questa".
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.
