Per costruire un computer quantistico universale da fragili componenti quantistici, un'efficace implementazione della correzione degli errori quantistici (QEC) è un requisito essenziale e una sfida centrale. QEC è utilizzato nell'informatica quantistica, che ha il potenziale per risolvere problemi scientifici al di là della portata dei supercomputer, per proteggere le informazioni quantistiche da errori dovuti a vari disturbi.

Pubblicato dalla rivista Natura , ricerca co-autrice del fisico Chen Wang dell'Università del Massachusetts Amherst, studenti laureati Jeffrey Gertler e Shruti Shirol, e il ricercatore post-dottorato Juliang Li fa un passo avanti verso la costruzione di un computer quantistico tollerante ai guasti. Hanno realizzato un nuovo tipo di QEC in cui gli errori quantistici vengono corretti spontaneamente.

I computer di oggi sono costruiti con transistor che rappresentano i bit classici (0 o 1). Il calcolo quantistico è un nuovo entusiasmante paradigma di calcolo che utilizza bit quantistici (qubit) in cui la sovrapposizione quantistica può essere sfruttata per guadagni esponenziali nella potenza di elaborazione. L'informatica quantistica tollerante ai guasti può far avanzare immensamente la scoperta di nuovi materiali, intelligenza artificiale, ingegneria biochimica e molte altre discipline.

Poiché i qubit sono intrinsecamente fragili, la sfida più importante della costruzione di computer quantistici così potenti è l'implementazione efficiente della correzione degli errori quantistici. Le dimostrazioni esistenti di QEC sono attive, il che significa che richiedono il controllo periodico degli errori e la loro correzione immediata, che è molto impegnativo in termini di risorse hardware e quindi ostacola il ridimensionamento dei computer quantistici.

In contrasto, l'esperimento dei ricercatori raggiunge il QEC passivo adattando l'attrito (o dissipazione) sperimentato dal qubit. Poiché l'attrito è comunemente considerato la nemesi della coerenza quantistica, questo risultato può sembrare abbastanza sorprendente. Il trucco è che la dissipazione deve essere progettata specificamente in modo quantistico. Questa strategia generale è nota in teoria da circa due decenni, ma un modo pratico per ottenere tale dissipazione e metterlo in uso per il QEC è stata una sfida.

"Sebbene il nostro esperimento sia ancora una dimostrazione piuttosto rudimentale, abbiamo finalmente realizzato questa possibilità teorica controintuitiva di QEC dissipativo, " dice Chen. "Guardando avanti, l'implicazione è che potrebbero esserci più strade per proteggere i nostri qubit dagli errori e farlo in modo meno costoso. Perciò, questo esperimento aumenta la prospettiva di costruire potenzialmente un utile computer quantistico tollerante ai guasti nel medio e lungo periodo".

Chen descrive in parole povere quanto strano possa essere il mondo quantistico. "Come nel famoso (o famigerato) esempio del fisico tedesco Erwin Schrödinger, un gatto imballato in una scatola chiusa può essere vivo o morto allo stesso tempo. Ogni qubit logico nel nostro processore quantistico è molto simile al gatto di un mini-Schrödinger. Infatti, lo chiamiamo letteralmente un "qubit di gatto". Avere molti di questi gatti può aiutarci a risolvere alcuni dei problemi più difficili del mondo.

"Sfortunatamente, è molto difficile mantenere un gatto così perché qualsiasi gas, leggero, o qualsiasi cosa che fuoriesce nella scatola distruggerà la magia:il gatto diventerà morto o solo un normale gatto vivo, " spiega Chen. "La strategia più semplice per proteggere il gatto di Schrodinger è rendere la scatola il più stretta possibile, ma ciò rende anche più difficile utilizzarlo per il calcolo. Quello che abbiamo appena dimostrato è come dipingere l'interno della scatola in un modo speciale e che in qualche modo aiuta il gatto a sopravvivere meglio agli inevitabili danni del mondo esterno".