I ricercatori del MIT hanno introdotto un'architettura di calcolo quantistico in grado di eseguire calcoli quantistici a basso errore e allo stesso tempo di condividere rapidamente le informazioni quantistiche tra i processori. Il lavoro rappresenta un progresso chiave verso una piattaforma di calcolo quantistico completa.

Prima di questa scoperta, i processori quantistici su piccola scala hanno eseguito con successo compiti a una velocità esponenzialmente più veloce di quella dei computer classici. Però, è stato difficile comunicare in modo controllabile informazioni quantistiche tra parti distanti di un processore. Nei computer classici, le interconnessioni cablate vengono utilizzate per instradare le informazioni avanti e indietro attraverso un processore durante il corso di un calcolo. In un computer quantistico, però, l'informazione stessa è quantomeccanica e fragile, richiedono strategie fondamentalmente nuove per elaborare e comunicare simultaneamente informazioni quantistiche su un chip.

"Una delle principali sfide nel ridimensionare i computer quantistici è consentire ai bit quantistici di interagire tra loro quando non sono collocati insieme, "dice William Oliver, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, Borsista del MIT Lincoln Laboratory, e direttore associato del Laboratorio di ricerca per l'elettronica. "Per esempio, i qubit più vicini possono interagire facilmente, ma come faccio a creare "interconnessioni quantistiche" che connettono qubit in luoghi distanti?"

La risposta sta nell'andare oltre le convenzionali interazioni luce-materia.

Mentre gli atomi naturali sono piccoli e puntiformi rispetto alla lunghezza d'onda della luce con cui interagiscono, in un articolo pubblicato sulla rivista Natura , i ricercatori mostrano che questo non deve essere il caso degli "atomi artificiali" superconduttori. Anziché, hanno costruito "atomi giganti" da bit quantistici superconduttori, o qubit, collegato in configurazione sintonizzabile ad una linea di trasmissione a microonde, o guida d'onda.

Ciò consente ai ricercatori di regolare la forza delle interazioni qubit-guida d'onda in modo che i fragili qubit possano essere protetti dalla decoerenza, o una sorta di decadimento naturale che altrimenti sarebbe accelerato dalla guida d'onda, mentre eseguono operazioni ad alta fedeltà. Una volta effettuati questi calcoli, la forza degli accoppiamenti qubit-guida d'onda viene riaggiustata, e i qubit sono in grado di rilasciare dati quantistici nella guida d'onda sotto forma di fotoni, o particelle leggere.

"L'accoppiamento di un qubit a una guida d'onda di solito è piuttosto negativo per le operazioni di qubit, poiché ciò può ridurre significativamente la durata del qubit, "dice Bharath Kannan, Borsista laureato al MIT e primo autore dell'articolo. "Però, la guida d'onda è necessaria per rilasciare e instradare le informazioni quantistiche attraverso il processore. Qui, abbiamo dimostrato che è possibile preservare la coerenza del qubit anche se è fortemente accoppiato ad una guida d'onda. Abbiamo quindi la possibilità di determinare quando vogliamo rilasciare le informazioni memorizzate nel qubit. Abbiamo mostrato come gli atomi giganti possono essere usati per attivare e disattivare l'interazione con la guida d'onda".

Il sistema realizzato dai ricercatori rappresenta un nuovo regime di interazioni luce-materia, dicono i ricercatori. A differenza dei modelli che trattano gli atomi come oggetti puntiformi più piccoli della lunghezza d'onda della luce con cui interagiscono, i qubit superconduttori, o atomi artificiali, sono essenzialmente grandi circuiti elettrici. Quando accoppiato con la guida d'onda, creano una struttura grande quanto la lunghezza d'onda della luce a microonde con cui interagiscono.

L'atomo gigante emette le sue informazioni come fotoni a microonde in più punti lungo la guida d'onda, tale che i fotoni interferiscano tra loro. Questo processo può essere sintonizzato per completare l'interferenza distruttiva, il che significa che le informazioni nel qubit sono protette. Per di più, anche quando nessun fotone viene effettivamente rilasciato dall'atomo gigante, più qubit lungo la guida d'onda sono ancora in grado di interagire tra loro per eseguire operazioni. Per tutto, i qubit rimangono fortemente accoppiati alla guida d'onda, ma a causa di questo tipo di interferenza quantistica, possono rimanerne inalterati ed essere protetti dalla decoerenza, mentre le operazioni a uno e due qubit vengono eseguite con alta fedeltà.

"Utilizziamo gli effetti di interferenza quantistica abilitati dagli atomi giganti per impedire ai qubit di emettere le loro informazioni quantistiche alla guida d'onda finché non ne avremo bisogno". dice Oliver.

"Questo ci permette di sondare sperimentalmente un nuovo regime della fisica a cui è difficile accedere con gli atomi naturali, " dice Kannan. "Gli effetti dell'atomo gigante sono estremamente puliti e facili da osservare e capire".

Il lavoro sembra avere molto potenziale per ulteriori ricerche, Kannan aggiunge.

"Penso che una delle sorprese sia in realtà la relativa facilità con cui i qubit superconduttori sono in grado di entrare in questo regime di atomi giganti". lui dice. "I trucchi che abbiamo impiegato sono relativamente semplici e, come tale, si può immaginare di usarlo per ulteriori applicazioni senza un grande sovraccarico aggiuntivo."

Il tempo di coerenza dei qubit incorporati negli atomi giganti, il che significa il tempo in cui sono rimasti in uno stato quantico, era di circa 30 microsecondi, quasi lo stesso per i qubit non accoppiati a una guida d'onda, che hanno un intervallo compreso tra 10 e 100 microsecondi, secondo i ricercatori.

Inoltre, la ricerca dimostra operazioni di entanglement a due qubit con una fedeltà del 94%. Questa rappresenta la prima volta che i ricercatori hanno citato una fedeltà a due qubit per qubit che erano fortemente accoppiati a una guida d'onda, perché la fedeltà di tali operazioni che utilizzano piccoli atomi convenzionali è spesso bassa in una tale architettura. Con più calibrazione, procedure di messa a punto delle operazioni e progettazione hardware ottimizzata, Kannan dice, la fedeltà può essere ulteriormente migliorata.