Indipendentemente da ciò che costituisce le viscere di un computer quantistico, i suoi calcoli veloci si riducono tutti a sequenze di semplici istruzioni applicate ai qubit, le unità di base delle informazioni all'interno di un computer quantistico.

Se quel computer è costruito da catene di ioni, giunzioni di superconduttori, o chip di silicio, si scopre che una manciata di semplici operazioni, che interessano solo uno o due qubit alla volta, può combinare e abbinare per creare qualsiasi programma per computer quantistico, una caratteristica che rende una particolare manciata "universale". Gli scienziati chiamano queste semplici operazioni porte quantistiche, e hanno trascorso anni a ottimizzare il modo in cui i cancelli si incastrano. Hanno ridotto il numero di porte (e qubit) necessarie per un dato calcolo e hanno scoperto come fare tutto assicurandosi che gli errori non si insinuano e causino un errore.

Ora, i ricercatori di JQI hanno scoperto modi per implementare solide, porte resistenti agli errori che utilizzano solo un numero costante di semplici elementi costitutivi, ottenendo essenzialmente la migliore riduzione possibile in un parametro chiamato profondità del circuito. Le loro scoperte, che si applicano ai computer quantistici basati su codici di correzione degli errori quantistici topologici, sono stati riportati in due articoli pubblicati di recente sulle riviste Lettere di revisione fisica e Revisione fisica B , e ampliato in un terzo articolo pubblicato in precedenza sulla rivista Quantico.

La profondità del circuito conta il numero di porte che influenzano ogni qubit, e una profondità costante significa che il numero di porte necessarie per una data operazione non aumenterà man mano che il computer cresce, una necessità se si vogliono tenere a bada gli errori. Questa è una caratteristica promettente per computer quantistici robusti e universali, dice Maissam Barkeshli, un JQI Fellow e un professore associato di fisica presso l'Università del Maryland (UMD).

"Abbiamo scoperto che una vasta classe di operazioni negli stati topologici della materia e codici di correzione degli errori topologici può essere implementata tramite circuiti unitari a profondità costante, "dice Barkeshli, che è anche membro del Condensed Matter Theory Center dell'UMD.

A differenza di altri tipi di computer quantistici, I computer quantistici costruiti sulla correzione dell'errore topologico, che finora sono stati studiati solo teoricamente, non memorizzano informazioni in singoli qubit fisici. Anziché, spalmano le informazioni di un singolo qubit in una rete di molti qubit o, più esotico, attraverso materiali topologici speciali.

Questa confusione di informazioni fornisce resilienza contro frammenti di luce vaganti o minuscole vibrazioni, disturbi quantistici che possono causare errori, e consente di rilevare piccoli errori e quindi di correggerli attivamente durante un calcolo. È uno dei principali vantaggi offerti dai computer quantistici basati sulla correzione dell'errore topologico. Ma il vantaggio ha un costo:se il rumore non riesce a raggiungere facilmente le informazioni, nemmeno tu.

Finora sembrava che il funzionamento di un computer quantistico del genere richiedesse piccole, modifiche sequenziali alla rete che memorizza le informazioni, spesso raffigurate come una griglia o un reticolo in due dimensioni. In tempo, questi piccoli cambiamenti si sommano e spostano efficacemente una regione del reticolo in un ciclo attorno a un'altra regione, lasciando che la rete abbia lo stesso aspetto di quando è stata avviata.

Queste trasformazioni della rete sono conosciute come trecce perché i modelli che tracciano nello spazio e nel tempo sembrano capelli intrecciati o una pagnotta intrecciata. Se immagini di impilare le istantanee della rete come frittelle, formeranno, passo dopo passo, una treccia astratta. A seconda della fisica sottostante della rete, inclusi i tipi di particelle, chiamato anyons, che può saltarci sopra:queste trecce possono essere sufficienti per eseguire qualsiasi programma quantistico.

Nel nuovo lavoro, gli autori hanno dimostrato che l'intreccio può essere realizzato quasi istantaneamente. Sono finiti i diagrammi annodati, sostituiti da riorganizzazioni in situ della rete.

"Era una specie di dogma da manuale che queste trecce potessero essere fatte solo adiabaticamente o molto lentamente per evitare di creare errori nel processo, "dice Guanyu Zhu, un ex ricercatore post-dottorato JQI che è attualmente un membro del personale di ricerca presso l'IBM Thomas J. Watson Research Center. "Però, in questo lavoro, ci siamo resi conto che invece di muovere lentamente regioni con anyon l'una intorno all'altra, potremmo semplicemente allungare o comprimere lo spazio tra di loro in un numero costante di passaggi."

La nuova ricetta richiede due ingredienti. Uno è la capacità di apportare modifiche locali che riconfigurano le interazioni tra i qubit fisici che compongono la rete. Questa parte non è molto diversa da ciò che richiede l'intreccio ordinario, ma si presume che avvenga in parallelo attraverso la regione che viene intrecciata. Il secondo ingrediente è la capacità di scambiare le informazioni su qubit fisici che non sono vicini tra loro, potenzialmente anche agli angoli opposti della regione di intrecciatura.

Questo secondo requisito è una grande richiesta di hardware di calcolo quantistico, ma gli autori dicono che ci sono sistemi che potrebbero supportarlo naturalmente.

"Una varietà di piattaforme sperimentali con connettività a lungo raggio potrebbe supportare il nostro schema, comprese le trappole ioniche, sistemi QED a circuito con risonatori a lunga linea di trasmissione, architetture modulari con cavità superconduttrici, e dispositivi fotonici al silicio, " dice Zhu. "Oppure potresti immaginare di usare piattaforme con qubit mobili. Si può pensare a piattaforme come computer quantistici fluidi, dove i qubit possono fluire liberamente attraverso il movimento classico."

Nel giornale in Lettere di revisione fisica , gli autori hanno fornito istruzioni esplicite su come ottenere le loro trecce istantanee in una particolare classe di codici quantistici topologici. Nel Revisione fisica B e quantistica documenti, hanno esteso questo risultato a un contesto più generale e hanno persino esaminato come si applicherebbe a un codice topologico nello spazio iperbolico (dove, inoltre, l'aggiunta di un nuovo qubit macchiato richiede l'aggiunta solo di un numero costante di qubit fisici alla rete).

Gli autori non hanno ancora capito come le loro nuove tecniche di intrecciatura si adatteranno agli obiettivi aggiuntivi di rilevare e correggere gli errori; che rimane un problema aperto per la ricerca futura.

"Speriamo che i nostri risultati possano alla fine essere utili per stabilire la possibilità di un calcolo quantistico tollerante ai guasti con un sovraccarico spazio-temporale costante, "dice Barkeshli.