Uno scienziato dell'Università di Sydney ha raggiunto ciò che un insider dell'industria quantistica ha descritto come "qualcosa che molti ricercatori pensavano fosse impossibile".

Il Dr. Benjamin Brown della School of Physics ha sviluppato un tipo di codice di correzione degli errori per computer quantistici che libererà più hardware per eseguire calcoli utili. Fornisce inoltre un approccio che consentirà ad aziende come Google e IBM di progettare microchip quantistici migliori.

Lo ha fatto applicando un codice già noto che opera in tre dimensioni a un framework bidimensionale.

"Il trucco è usare il tempo come terza dimensione. Sto usando due dimensioni fisiche e aggiungo il tempo come terza dimensione, "Il dottor Brown ha detto. "Questo apre possibilità che prima non avevamo".

La sua ricerca è pubblicata oggi in Progressi scientifici .

"È un po' come lavorare a maglia, " ha detto. "Ogni riga è come una linea unidimensionale. Lavori a maglia fila dopo fila di lana e, col tempo, questo produce un pannello di materiale bidimensionale."

Computer quantistici a tolleranza d'errore

La riduzione degli errori nell'informatica quantistica è una delle maggiori sfide che gli scienziati devono affrontare prima di poter costruire macchine abbastanza grandi da risolvere problemi utili.

"Poiché l'informazione quantistica è così fragile, produce molti errori, " ha detto il dottor Brown, ricercatore presso il Nano Institute dell'Università di Sydney.

Eliminare completamente questi errori è impossibile, quindi l'obiettivo è sviluppare un'architettura "fault-tolerant" in cui le operazioni di elaborazione utili superino di gran lunga le operazioni di correzione degli errori.

"Il tuo telefono cellulare o laptop eseguirà miliardi di operazioni per molti anni prima che un singolo errore attivi uno schermo vuoto o qualche altro malfunzionamento. Le attuali operazioni quantistiche sono fortunate ad avere meno di un errore ogni 20 operazioni, e questo significa milioni di errori un ora, " ha affermato il Dr. Brown, che ricopre anche una posizione presso l'ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems.

"Sono un sacco di punti caduti".

La maggior parte degli elementi costitutivi dei computer quantistici sperimentali odierni, bit quantici o qubit, sono occupati dal "spessore" della correzione degli errori.

"Il mio approccio alla soppressione degli errori consiste nell'utilizzare un codice che opera su tutta la superficie dell'architettura in due dimensioni. L'effetto di questo è di liberare gran parte dell'hardware dalla correzione degli errori e permettergli di andare avanti con le cose utili, " ha detto il dottor Brown.

La dott.ssa Naomi Nickerson è direttrice dell'architettura quantistica presso PsiQuantum a Palo Alto, California, e slegato dalla ricerca. Ha detto:"Questo risultato stabilisce una nuova opzione per l'esecuzione di gate tolleranti ai guasti, che ha il potenziale per ridurre notevolmente il sovraccarico e avvicinare il calcolo quantistico pratico".

Percorso verso il calcolo universale

Start-up come PsiQuantum, così come le grandi aziende tecnologiche Google, IBM e Microsoft, stanno guidando la carica per sviluppare la tecnologia quantistica su larga scala. È urgente trovare codici di correzione degli errori che consentano alle loro macchine di crescere.

Dott. Michael Beverland, un ricercatore senior presso Microsoft Quantum e anche non connesso con la ricerca, ha dichiarato:"Questo documento esplora un emozionante, approccio esotico per eseguire calcoli quantistici tolleranti ai guasti, indicando la strada verso il potenziale raggiungimento del calcolo quantistico universale in due dimensioni spaziali senza la necessità di distillazione, qualcosa che molti ricercatori pensavano fosse impossibile."

I codici bidimensionali attualmente esistenti richiedono ciò che il Dr. Beverland chiama distillazione, più precisamente noto come 'distillazione allo stato magico'. È qui che il processore quantistico ordina i calcoli multipli ed estrae quelli utili.

Questo mastica un sacco di hardware di elaborazione semplicemente sopprimendo gli errori.

"Ho applicato il potere del codice tridimensionale e l'ho adattato alla struttura bidimensionale, " ha detto il dottor Brown.

Il dottor Brown è stato impegnato quest'anno. A marzo ha pubblicato un articolo sulla migliore rivista di fisica Lettere di revisione fisica con i colleghi di EQUS e dell'Università di Sydney. In quella ricerca lui e i suoi colleghi hanno sviluppato un decodificatore che identifica e corregge più errori che mai, raggiungere un record mondiale nella correzione degli errori.

"Identificare gli errori più comuni è un altro modo in cui possiamo liberare più potenza di elaborazione per calcoli utili, " ha detto il dottor Brown.

Il professor Stephen Bartlett è un coautore di quel documento e guida il gruppo di ricerca sulla teoria dell'informazione quantistica presso l'Università di Sydney.

"Il nostro gruppo a Sydney è molto concentrato sulla scoperta di come possiamo aumentare gli effetti quantistici in modo che possano alimentare dispositivi su larga scala, " ha detto il professor Bartlett, che è anche Decano Associato per la Ricerca nella Facoltà di Scienze.

"Il lavoro del Dr. Brown ha mostrato come farlo per un chip quantistico. Questo tipo di progresso ci consentirà di passare da piccoli numeri di qubit a numeri molto grandi e costruire computer quantistici ultra potenti che risolveranno i grandi problemi di domani. "