Scienziati in Australia hanno sviluppato un nuovo approccio per ridurre gli errori che affliggono i computer quantistici sperimentali; un passaggio che potrebbe rimuovere un ostacolo critico impedendo loro di scalare fino a macchine completamente funzionanti.

Sfruttando lo spazio geometrico infinito di un particolare sistema quantistico costituito da bosoni, i ricercatori, guidato dal Dr. Arne Grimsmo dell'Università di Sydney, hanno sviluppato codici di correzione degli errori quantistici che dovrebbero ridurre il numero di interruttori quantistici fisici, o qubit, necessario per ridimensionare queste macchine a una dimensione utile.

"La bellezza di questi codici è che sono 'indipendenti dalla piattaforma' e possono essere sviluppati per funzionare con un'ampia gamma di sistemi hardware quantistici, " disse il dottor Grimsmo.

"Molti tipi diversi di codici di correzione dell'errore bosonico sono stati dimostrati sperimentalmente, come "codici gatto" e "codici binomiali", " ha detto. "Quello che abbiamo fatto nel nostro documento è unificare questi e altri codici in un quadro comune".

La ricerca, pubblicato questa settimana in Revisione fisica X , è stato scritto insieme al Dr. Joshua Combes dell'Università del Queensland e al Dr. Ben Baragiola dell'RMIT University. La collaborazione è tra due importanti centri di ricerca quantistica in Australia, il Centro di eccellenza ARC per le macchine quantistiche ingegnerizzate e il Centro di eccellenza ARC per il calcolo quantistico e la tecnologia delle comunicazioni.

Qubit robusti

"La nostra speranza è che la robustezza offerta dallo 'spaziare le cose' in uno spazio di Hilbert infinito ti dia un qubit molto robusto, perché può tollerare errori comuni come la perdita di fotoni, " ha affermato il Dr. Grimsmo dell'Università di Sydney Nano Institute e School of Physics.

Scienziati nelle università e nelle aziende tecnologiche di tutto il pianeta stanno lavorando per costruire un universale, computer quantistico tollerante ai guasti. La grande promessa di questi dispositivi è che potrebbero essere usati per risolvere problemi al di là della portata dei classici supercomputer in campi vari come la scienza dei materiali, scoperta di farmaci, sicurezza e crittografia.

Con Google l'anno scorso che ha dichiarato di possedere una macchina che ha raggiunto la "supremazia quantistica" - svolgendo un compito probabilmente inutile ma oltre l'ambito di un computer classico - l'interesse nel campo dell'informatica e dell'ingegneria quantistica continua a crescere.

Ma per costruire una macchina quantistica in grado di fare qualsiasi cosa utile occorrono migliaia, se non milioni di bit quantistici che operano senza essere sommersi da errori.

E i qubit sono, per loro stessa natura, incline a errori. La "quantità" che consente loro di eseguire un tipo di operazione di calcolo completamente diverso significa che sono altamente fragili e suscettibili di interferenze elettromagnetiche e di altro tipo.

Identificazione, rimuovere e ridurre gli errori nel calcolo quantistico è uno dei compiti centrali che devono affrontare i fisici che lavorano in questo campo.

Sovrapposizioni fragili

I computer quantistici svolgono i loro compiti codificando le informazioni utilizzando la sovrapposizione quantistica, un aspetto fondamentale della natura in cui un risultato finale di un sistema fisico è irrisolto finché non viene misurato. Fino a quel momento, l'informazione esiste in uno stato di molteplici possibili esiti.

Il Dr. Grimsmo ha dichiarato:"Una delle sfide più fondamentali per la realizzazione di computer quantistici è la natura fragile delle sovrapposizioni quantistiche. Fortunatamente, è possibile superare questo problema utilizzando la correzione degli errori quantistici."

Questo viene fatto codificando le informazioni in modo ridondante, consentendo la correzione degli errori man mano che si verificano durante un calcolo quantistico. L'approccio standard per raggiungere questo obiettivo consiste nell'utilizzare un gran numero di particelle distinguibili come vettori di informazioni. Esempi comuni sono gli array di elettroni, ioni intrappolati o circuiti elettrici quantistici.

Però, questo crea una vasta rete di "qubit fisici" per far funzionare un singolo, qubit logico che esegue il lavoro di elaborazione richiesto.

Questa necessità di creare una vasta rete di qubit fisici per supportare il lavoro di un singolo qubit operativo è una barriera non banale verso la costruzione di macchine quantistiche su larga scala.

Bosoni indistinguibili

Il Dr. Grimsmo ha detto:"In questo lavoro, consideriamo un approccio alternativo basato sulla codifica dell'informazione quantistica in raccolte di bosoni." Il tipo più comune di bosone è il fotone, un pacchetto di energia elettromagnetica e "particella di luce" senza massa.

Intrappolando i bosoni in una particolare microonde o cavità ottica, diventano indistinguibili l'uno dall'altro, a differenza di, dire, una serie di ioni intrappolati, che sono identificabili dalla loro posizione.

"Il vantaggio di questo approccio è che un gran numero di bosoni può essere intrappolato in un singolo sistema quantistico, come i fotoni intrappolati in una cavità ottica o a microonde di alta qualità, " Ha detto il dottor Grimsmo. "Questo potrebbe ridurre drasticamente il numero di sistemi fisici necessari per costruire un computer quantistico".

I ricercatori sperano che il loro lavoro fondamentale aiuterà a costruire una tabella di marcia verso la tolleranza ai guasti nell'informatica quantistica.