Quando i computer condividono le informazioni tra loro, le informazioni vengono codificate in bit, poi decodificato nella sua forma originale. Nel processo, parti delle informazioni a volte vengono confuse, o perso. Come esempio semplificato, un'e-mail decodificata in modo errato che dice "ti mando i soldi ora" potrebbe arrivare a destinazione dicendo "non ti mando i soldi".

Un altro esempio:quando salvi un documento sul tuo computer, ti aspetti che contenga le stesse informazioni quando lo riapri. E, se chiedi a un computer di risolvere l'equazione 2+2, devi avere fiducia che sputerà fuori 4. Questo è ancora più importante per equazioni complesse che non puoi calcolare da solo, come i valori per x, yez nell'equazione diofantea x ³ + si ³ + z ³ =42.

Bane Vasic, professore di ingegneria elettrica e informatica e direttore del Laboratorio di correzione degli errori presso il College of Engineering dell'Università dell'Arizona, specializzata in codici di correzione degli errori, che assicurano che le informazioni condivise e calcolate dai computer siano correttamente decodificate prima di arrivare a destinazione. Studia anche la tolleranza agli errori, o la capacità di un computer o di una rete di computer di continuare a funzionare quando uno o più dei suoi componenti si guastano.

Vasic è stato determinante nello sviluppo di una classe di codici di correzione degli errori, chiamati codici di controllo di parità a bassa densità, o codici LDPC, ampiamente utilizzati nelle comunicazioni classiche e nell'archiviazione dei dati. In un progetto finanziato con 1,1 milioni di dollari dalla National Science Foundation, Vasic sta collaborando con Saikat Guha nel James C. Wyant College of Optical Sciences per testare per la prima volta la fattibilità dei codici LDPC quantistici nei computer quantistici.

Applicare una tecnica classica alle reti quantistiche

mentre x ³ + si ³ + z ³ =42 è un'equazione complessa, è possibile risolvere per x, y e z con il calcolo classico. Infatti, nel 2019 un gruppo di scienziati ha utilizzato una rete di computer classici per fare proprio questo. Ci sono voluti più di un milione di ore di calcolo. L'informatica quantistica ha il potenziale per risolvere equazioni come questa in pochi secondi.

"Attraverso l'informatica quantistica, potremo analizzare fenomeni molto complicati, e per risolvere problemi che non sono risolvibili dai computer classici. E questo sarà fatto molto velocemente, " Vasic ha detto. "Ci sono applicazioni in biologia; medicinale; finanze; la simulazione del fisico, sistemi chimici e biologici; la scoperta di nuovi materiali; e la progettazione di molecole."

Com'è possibile? L'informatica classica memorizza le informazioni in unità chiamate bit, che esistono come 0 o 1. Il calcolo quantistico utilizza unità chiamate qubit, che può esistere in più stati contemporaneamente. La sovrapposizione degli stati è ciò che consente l'ultra-velocità, informatica futuristica. Però, poiché i qubit sono realizzati fisicamente come particelle subatomiche, questo stato è molto fragile da creare e mantenere, rendendo i qubit più inclini all'errore, o decoerenza, di bit.

I fisici teorici ora ipotizzano che i qubit siano anche ciò che costituisce lo spazio-tempo, o il tessuto dell'universo. E recenti ricerche hanno indicato che la correzione degli errori quantistici spiega perché lo spazio-tempo è così robusto, nonostante i suoi fragili elementi costitutivi.

Infatti, i qubit sono così sensibili che il solo atto di misurarli può causare cambiamenti. Attualmente, la correzione degli errori quantistici implica prima di tutto osservare attentamente i qubit e registrare i risultati come informazioni classiche. Quindi, un computer classico calcola cosa non va, e gli scienziati trasferiscono le informazioni sulla correzione degli errori al sistema quantistico.

"In questo progetto, stiamo studiando metodi in cui non lasciamo il mondo quantistico, quindi tutte le operazioni saranno anche quantistiche, " ha detto Vasic. "Vogliamo esplorare se la decodifica può essere eseguita elaborando le informazioni quantistiche".

Passare messaggi per mitigare il rumore

I computer di oggi sono costituiti da miliardi di elementi costitutivi di base chiamati porte logiche. Queste porte applicano operazioni diverse alle informazioni binarie in fase di elaborazione. Per esempio, uno dei tipi più semplici di porte è una porta NOT, che trasforma i bit nei loro opposti prendendo 0 ed emettendo 1 e viceversa. Però, a volte l'interferenza del segnale e il rumore fanno sì che i gate commettano errori, che porta a risultati errati. Le porte quantistiche eseguono operazioni più versatili ed esotiche rispetto ai loro parenti classici, ma sono più rumorosi e più inclini all'errore.

I codici di correzione degli errori impigliano i qubit in un modo molto specifico in modo che i qubit si stabilizzino a vicenda. I decodificatori di Vasic consentono ai qubit di passare informazioni l'uno sull'altro avanti e indietro. Algoritmi di scambio di messaggi simili sono utilizzati nell'intelligenza artificiale. Nessuno dei singoli bit ha una conoscenza completa del valore di altri bit, ma insieme, attraverso il passaggio di messaggi, apprendono collettivamente se ci sono errori ed esattamente in quali bit si trovano. Questo nuovo progetto si concentra sullo sviluppo di una versione quantistica di tali algoritmi di intelligenza artificiale.

"Il più grande vantaggio dei codici LDPC è che supportano questo tipo di algoritmi di passaggio dei messaggi, che sono tolleranti ai guasti, " Vasic ha detto. "Nei sistemi quantistici, dobbiamo avere tolleranza agli errori, perché, a causa del maggiore livello di rumore, le porte quantistiche sono ordini di grandezza più rumorose e più inaffidabili delle porte logiche classiche".

Vasic e molti altri membri della facoltà di ingegneria fanno anche parte del nuovo Centro per le reti quantistiche, un quinquennio, $ 26 milioni NSF Engineering Research Center guidato dall'Università dell'Arizona. Il centro, diretto da Guha, mira a gettare le basi per l'internet quantistica, e la correzione degli errori rappresenta una parte fondamentale dell'impresa.

"Questo è un pezzo mancante per realizzare reti e computer quantistici, " Vasic ha detto. "Questi codici LDPC quantistici sono la prossima generazione di codici che verranno utilizzati, ma dobbiamo sviluppare algoritmi per decodificare in modo efficiente e tollerante ai guasti".

"Con la recente assunzione di diversi nuovi docenti specializzati in ingegneria quantistica, il college e l'università si stanno posizionando in prima linea in questo campo, " ha detto David W. Hahn, Craig M. Berge decano del College of Engineering. "Siamo fortunati ad avere ricercatori come il Dr. Vasic che mettono in campo la loro esperienza e la loro inestimabile competenza".