Ricercatori del CSC—centro informatico per la scienza, La Aalto University e Åbo Akademi e i loro collaboratori della Boston University negli Stati Uniti hanno dimostrato per la prima volta come il rumore influisca in modo sistematico sull'informatica quantistica. I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .

In un computer classico, tutti i dati sono scomposti in sequenze di bit che assumono i valori zero e 1, e questi due valori corrispondono agli stati "on" o "off" dei milioni di minuscoli interruttori elettronici nell'unità di elaborazione e nella memoria del computer.

Secondo i principi della meccanica quantistica, il concetto di bit può essere generalizzato a un "qubit, " il cui stato può essere sia zero che uno allo stesso tempo e in molti modi diversi (una sovrapposizione). Un computer quantistico può essere costruito utilizzando un gran numero di questi qubit, che devono essere programmati utilizzando algoritmi e linguaggi completamente nuovi. Un computer quantistico può in linea di principio essere in grado di risolvere problemi che sono praticamente impossibili da risolvere su un computer classico, ad esempio, progettare nuove molecole o materiali con proprietà desiderate mediante calcoli a livello atomico ed elettronico (che a sua volta richiede l'uso della meccanica quantistica).

Da concetto teorico esplorato principalmente nei laboratori universitari, i computer quantistici stanno emergendo rapidamente sulla scena commerciale. Le macchine disponibili sono ancora in gran parte sperimentali, e sono utilizzati da aziende e istituti di ricerca per esplorare potenziali applicazioni e prepararsi per l'anticipata era della "supremazia quantistica" (il che significa che i computer quantistici diventano più potenti di quelli classici, almeno per qualche problema).

I qubit sono molto sensibili al rumore

Una delle principali sfide è che i qubit sono molto sensibili al rumore che può distruggere rapidamente i loro stati di sovrapposizione quantistica. Anche se i dispositivi vengono raffreddati ad appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto di temperatura per ridurre al minimo il rumore derivante dall'ambiente termico, il tempo di vita degli stati di sovrapposizione è ancora molto breve, spesso meno di un microsecondo.

Con un tipo di computer quantistico prodotto dalla società canadese D-Wave Systems, alcuni problemi di ottimizzazione possono essere risolti dal principio della ricottura quantistica. Qui la proprietà quantistica dei qubit viene gradualmente modificata in modo tale da "congelarsi quantisticamente" nella soluzione del problema programmato sul dispositivo. Però, questo processo è sensibile al rumore in un modo che non è ben compreso.

Ora un team di ricercatori di tre istituzioni finlandesi (CSC, Università Aalto, e Abo Akademi University) e i loro collaboratori della Boston University negli Stati Uniti hanno dimostrato per la prima volta come il rumore influisca su un calcolo in modo sistematico. Variando il tempo in cui viene modificata la proprietà quantistica dei qubit (da microsecondi a millisecondi) e studiando diversi numeri di qubit accoppiati in un dispositivo D-Wave, sono stati in grado di confermare un principio generale di creazione di difetti (ovvero errori nel calcolo).

Secondo questo principio, un tempo di calcolo più lungo dovrebbe dare un risultato migliore, ma i ricercatori hanno scoperto che il rumore influisce maggiormente negativamente sui risultati se il tempo è più lungo. Hanno spiegato questo comportamento con un modello matematico, che sarà uno strumento utile per diagnosticare futuri dispositivi di ricottura quantistica e per trovare i modi migliori per farli funzionare.

Secondo il membro del team Anders Sandvik (Università di Boston), i dispositivi di ricottura quantistica potrebbero presto diventare strumenti importanti per simulare i comportamenti quantistici della materia, una volta che la quantità di rumore è ulteriormente ridotta.

"Il lavoro di successo del team rappresenta il primo grande sforzo di ricerca finlandese sul paradigma di ricottura quantistica dell'informatica quantistica, " ha detto Jan Åström, membro del team di CSC. "Il computer quantistico si sta evolvendo rapidamente, e CSC sta pianificando ulteriori progetti per promuovere la costruzione di una forte competenza finlandese in questa area critica e all'avanguardia della scienza e della tecnologia."