In un nuovo studio teorico, I fisici del Caltech hanno mostrato come le molecole possono, in teoria, essere utilizzato per ridurre gli errori nel calcolo quantistico. Questa strategia implicherebbe porre una molecola rotante in "sovrapposizione, " il che significa che esisterebbe in più orientamenti contemporaneamente. In questa illustrazione, a sinistra sono mostrati tre diversi orientamenti molecolari; il disegno all'estrema destra indica una sovrapposizione di questi stati molecolari. Credito:Caltech
La tecnologia alla base dei computer quantistici del futuro è in rapido sviluppo, con diversi approcci in corso. Molte delle strategie, o "progetti, "perché i computer quantistici si basano su atomi o circuiti elettrici artificiali simili ad atomi. In un nuovo studio teorico sulla rivista Revisione fisica X , un gruppo di fisici al Caltech dimostra i vantaggi di un approccio meno studiato che si basa non sugli atomi ma sulle molecole.
"Nel mondo quantistico, abbiamo diversi progetti sul tavolo e contemporaneamente li stiamo migliorando tutti, " dice l'autore principale Victor Albert, lo studioso post-dottorato Lee A. DuBridge in fisica teorica. "La gente ha pensato di usare le molecole per codificare le informazioni dal 2001, ma ora stiamo mostrando come le molecole, che sono più complessi degli atomi, potrebbe portare a meno errori nel calcolo quantistico."
Al centro dei computer quantistici ci sono i cosiddetti qubit. Questi sono simili ai bit nei computer classici, ma a differenza dei bit classici possono sperimentare un fenomeno bizzarro noto come sovrapposizione in cui esistono in due o più stati contemporaneamente. Come il famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger, che descrive un gatto morto e vivo allo stesso tempo, le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente. Il fenomeno della sovrapposizione è al centro dell'informatica quantistica:il fatto che i qubit possano assumere molte forme contemporaneamente significa che hanno una potenza di calcolo esponenzialmente maggiore rispetto ai bit classici.
Ma lo stato di sovrapposizione è delicato, poiché i qubit sono inclini a collassare fuori dai loro stati desiderati, e questo porta a errori di calcolo.
"Nell'informatica classica, devi preoccuparti che i bit si capovolgano, in cui un bit '1' va a '0' o viceversa, che causa errori, " dice Albert. "Questo è come lanciare una moneta, ed è difficile da fare. Ma nell'informatica quantistica, le informazioni sono conservate in fragili sovrapposizioni, e anche l'equivalente quantistico di una raffica di vento può portare a errori".
Però, se una piattaforma di computer quantistico utilizza qubit fatti di molecole, dicono i ricercatori, è più probabile che questi tipi di errori vengano prevenuti rispetto ad altre piattaforme quantistiche. Un concetto alla base della nuova ricerca deriva dal lavoro svolto quasi 20 anni fa dai ricercatori del Caltech John Preskill, Richard P. Feynman Professore di Fisica Teorica e direttore dell'Institute of Quantum Information and Matter (IQIM), e Alexei Kitaev, il Professore Ronald e Maxine Linde di Fisica Teorica e Matematica al Caltech, insieme al loro collega Daniel Gottesman (Ph.D. '97) del Perimeter Institute in Ontario, Canada. Allora, gli scienziati hanno proposto una scappatoia che avrebbe fornito un modo per aggirare un fenomeno chiamato principio di indeterminazione di Heisenberg, introdotto nel 1927 dal fisico tedesco Werner Heisenberg. Il principio afferma che non si può sapere contemporaneamente con altissima precisione sia dove si trova una particella che dove sta andando.
"C'è una battuta in cui Heisenberg viene fermato da un ufficiale di polizia che dice di sapere che la velocità di Heisenberg era di 90 miglia all'ora, e Heisenberg risponde, 'Ora non ho idea di dove sono, '", dice Alberto.
Il principio di indeterminazione è una sfida per i computer quantistici perché implica che gli stati quantistici dei qubit non possono essere conosciuti abbastanza bene da determinare se si sono verificati o meno errori. Però, Gottesman, Kitaev, e Preskill hanno scoperto che mentre la posizione e la quantità di moto esatte di una particella non potevano essere misurate, è stato possibile rilevare spostamenti molto piccoli della sua posizione e del suo slancio. Questi cambiamenti potrebbero rivelare che si è verificato un errore, consentendo di riportare il sistema allo stato corretto. Questo schema di correzione degli errori, noto come GKP dopo i suoi scopritori, è stato recentemente implementato in dispositivi circuitali superconduttori.
"Gli errori vanno bene, ma solo se sappiamo che accadono, "dice Preskill, un coautore del documento Physical Review X e anche il coordinatore scientifico per un nuovo centro scientifico finanziato dal Dipartimento di Energia chiamato Quantum Systems Accelerator. "Il punto centrale della correzione degli errori è massimizzare la quantità di conoscenza che abbiamo sui potenziali errori".
Nel nuovo giornale, questo concetto è applicato a molecole rotanti in sovrapposizione. Se l'orientamento o il momento angolare della molecola si sposta di una piccola quantità, questi spostamenti possono essere corretti contemporaneamente.
"Vogliamo tracciare le informazioni quantistiche mentre si evolvono sotto il rumore, " dice Albert. "Il rumore ci sta prendendo un po' a calci. Ma se abbiamo una sovrapposizione scelta con cura degli stati delle molecole, possiamo misurare sia l'orientamento che il momento angolare purché siano sufficientemente piccoli. E poi possiamo riportare indietro il sistema per compensare".
Jacob Covey, un coautore dell'articolo ed ex borsista postdottorato al Caltech che si è recentemente unito alla facoltà dell'Università dell'Illinois, dice che potrebbe essere possibile eventualmente controllare individualmente le molecole per l'uso in sistemi di informazione quantistica come questi. Lui e il suo team hanno fatto passi da gigante nell'utilizzo di raggi laser ottici, o "pinzette, " per controllare singoli atomi neutri (gli atomi neutri sono un'altra piattaforma promettente per i sistemi di informazione quantistica).
"Il fascino delle molecole è che sono strutture molto complesse che possono essere molto densamente impacchettate, " dice Covey. "Se riusciamo a capire come utilizzare le molecole nell'informatica quantistica, possiamo codificare in modo robusto le informazioni e migliorare l'efficienza con cui vengono impacchettati i qubit."
Albert dice che il trio di se stesso, preabilità, e Covey hanno fornito la perfetta combinazione di competenze teoriche e sperimentali per ottenere i risultati più recenti. Lui e Preskill sono entrambi teorici mentre Covey è uno sperimentatore. "È stato davvero bello avere qualcuno come John che mi aiutasse con la struttura di tutta questa teoria dei codici di correzione degli errori, e Jake ci ha fornito una guida cruciale su ciò che sta accadendo nei laboratori".
Dice Preskill, "Questo è un documento che nessuno di noi tre avrebbe potuto scrivere da solo. La cosa veramente divertente nel campo dell'informazione quantistica è che ci incoraggia a interagire attraverso alcune di queste divisioni, e Caltech, con le sue piccole dimensioni, è il posto perfetto per farlo."
Il Revisione fisica X lo studio è intitolato "Codifica robusta di un qubit in una molecola".
