Una grande sfida tecnica per qualsiasi pratica, il computer quantistico del mondo reale deriva dalla necessità di un gran numero di qubit fisici per gestire gli errori che si accumulano durante il calcolo. Tale correzione degli errori quantistici richiede risorse e tempo di calcolo. Ma i ricercatori hanno trovato un metodo software efficace che consente una compressione significativa dei circuiti quantistici, rilassando le richieste poste sullo sviluppo dell'hardware.

I computer quantistici potrebbero essere ancora lontani da una realtà commerciale, ma quello che viene definito "vantaggio quantistico" - la capacità di un computer quantistico di calcolare centinaia o migliaia di volte più velocemente di un computer classico - è stato effettivamente raggiunto su quelli che sono chiamati dispositivi Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) in prime prove di -principali esperimenti.

Sfortunatamente, I dispositivi NISQ sono ancora soggetti a molti errori che si accumulano durante il loro funzionamento. Perché ci sia un'applicazione nel mondo reale del vantaggio quantistico, è necessaria la progettazione di un computer quantistico su larga scala completamente operativo con un'elevata tolleranza agli errori. Attualmente, I dispositivi NISQ possono essere progettati con circa 100 qubit, ma i computer tolleranti ai guasti avrebbero bisogno di milioni di qubit fisici come minimo per codificare le informazioni logiche con tassi di errore sufficientemente bassi. Un'implementazione tollerante ai guasti dei circuiti computazionali quantistici non solo rende il computer quantistico più grande, ma anche il tempo di esecuzione più lungo di ordini di grandezza. Un runtime esteso a sua volta significa che il calcolo è ancora più suscettibile agli errori.

Mentre i progressi nell'hardware possono colmare questa lacuna di risorse, ricercatori del National Institute of Informatics (NII) e della Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) in Giappone hanno affrontato il problema dal punto di vista dello sviluppo software comprimendo circuiti quantistici in computer quantistici tolleranti ai guasti su larga scala, potenzialmente riducendo la necessità di miglioramenti hardware.

"Comprimendo i circuiti quantistici, potremmo ridurre le dimensioni del computer quantistico e il suo tempo di esecuzione, che a sua volta riduce il requisito per la protezione dagli errori, " ha detto Michael Hanks, un ricercatore al NII e uno degli autori di un articolo, pubblicato l'11 novembre in Revisione fisica X .

Le architetture di computer quantistici su larga scala dipendono da un codice di correzione degli errori per funzionare correttamente, il più comunemente usato è il codice di superficie e le sue varianti.

I ricercatori si sono concentrati sulla compressione del circuito di una di queste varianti:il codice topologico 3-D. Questo codice si comporta particolarmente bene per gli approcci di computer quantistici distribuiti e ha un'ampia applicabilità a diverse varietà di hardware. Nel codice topologico 3-D, i circuiti quantistici sembrano tubi o tubi intrecciati, e sono comunemente chiamati "circuiti intrecciati. I diagrammi 3D dei circuiti intrecciati possono essere manipolati per comprimere e quindi ridurre il volume che occupano. Fino ad ora, la sfida è stata che tale "manipolazione del tubo" viene eseguita in modo ad hoc. Inoltre, ci sono state solo regole parziali su come farlo.

"I precedenti approcci alla compressione non possono garantire che il circuito quantistico risultante sia corretto, " ha detto la co-autrice Marta Estarellas, un ricercatore presso NII. "Bisogna stare molto attenti a verificarne la correttezza ogni volta che si applica una di queste regole di compressione. Questo è un aspetto importante, in quanto tale compito è difficile quanto far funzionare l'intero circuito quantistico."

Il team di ricerca propone l'uso di ZX-calculus come linguaggio per questa fase intermedia di compilazione. ZX-calculus è un linguaggio diagrammatico 2-D (che utilizza diagrammi e immagini invece di parole) sviluppato alla fine degli anni 2000 espressamente per consentire una rappresentazione intuitiva dei processi qubit. Ma ancora più importante, viene fornito con un set completo di regole di manipolazione.

Nella loro carta, i ricercatori sfruttano ZX-calculus scoprendo le relazioni di traduzione tra ZX-calculus e i componenti del circuito intrecciato. I ricercatori hanno dimostrato che queste due rappresentazioni dei circuiti di gate logici possono essere mappate l'una con l'altra identificando una nuova interpretazione che era stata sempre nascosta all'interno di ZX-calculus.

Il linguaggio ZX-calculus può applicare un insieme di regole di trasformazione per alterare la struttura del circuito senza alterarne il significato matematico sottostante (e quindi il suo funzionamento) e quindi garantendone la correttezza. Alterando attentamente quella struttura concettuale, il volume del circuito può essere ridotto al minimo, raggiungere tassi di compressione considerevoli una volta che questa nuova struttura è mappata al circuito quantistico intrecciato effettivo.

Applicando questa tecnica, i ricercatori riportano riduzioni della compressione fino al 77 percento, equivalente a una riduzione del 40% rispetto ai migliori sforzi precedenti.

"Il metodo di compressione e il suo ulteriore sviluppo potrebbero fornire la realizzazione di un computer quantistico tollerante ai guasti del mondo reale anni prima del previsto, " ha detto William J. Munro, un ricercatore presso NTT, che ha anche contribuito alla ricerca.

"Interessante, potrebbe anche essere il fondamento del futuro sviluppo del sistema operativo, "ha detto Kae Nemoto, Direttore del Global Research Center for Quantum Information Science presso NII. "Potrebbero essere necessari ancora molti anni prima che questi sviluppi software vengano implementati in computer quantistici completamente scalabili, ma il nostro metodo potrebbe nel frattempo risparmiare un grande sforzo associato allo sviluppo dell'hardware."