I computer quantistici potrebbero superare i computer classici in molti compiti, ma solo se gli errori che sono una parte inevitabile dei compiti computazionali sono isolati piuttosto che eventi diffusi. Ora, i ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno trovato prove che gli errori sono correlati in un intero chip di calcolo quantistico superconduttore, evidenziando un problema che deve essere riconosciuto e affrontato nella ricerca di computer quantistici tolleranti ai guasti.

I ricercatori riportano i loro risultati in uno studio pubblicato il 16 giugno sulla rivista Natura , È importante sottolineare che il loro lavoro indica anche strategie di mitigazione.

"Penso che le persone abbiano affrontato il problema della correzione degli errori in modo eccessivamente ottimistico, assumendo ciecamente che gli errori non sono correlati, ", afferma il professore di fisica UW-Madison Robert McDermott, autore senior dello studio. "I nostri esperimenti mostrano assolutamente che gli errori sono correlati, ma quando identifichiamo i problemi e sviluppiamo una profonda comprensione fisica, troveremo il modo di aggirarli".

I bit in un computer classico possono essere 1 o 0, ma i qubit in un computer quantistico possono essere 1, 0, o una miscela arbitraria, una sovrapposizione, di 1 e 0. Bit classici, poi, può solo commettere errori di capovolgimento dei bit, come quando un 1 diventa 0. Qubit, però, può commettere due tipi di errore:capovolgimenti di bit o capovolgimenti di fase, dove cambia uno stato di sovrapposizione quantistica.

Per correggere gli errori, i computer devono monitorarli mentre accadono. Ma le leggi della fisica quantistica dicono che può essere monitorato un solo tipo di errore alla volta in un singolo qubit, così è stato proposto un protocollo intelligente di correzione degli errori chiamato codice di superficie. Il codice di superficie coinvolge una vasta gamma di qubit connessi:alcuni svolgono il lavoro computazionale, mentre altri sono monitorati per dedurre errori nei qubit computazionali. Però, il protocollo del codice di superficie funziona in modo affidabile solo se gli eventi che causano errori sono isolati, interessando al massimo qualche qubit.

In esperimenti precedenti, Il gruppo di McDermott aveva notato che qualcosa stava causando l'inversione di più qubit contemporaneamente. In questo nuovo studio, hanno chiesto direttamente:questi lanci sono indipendenti, oppure sono correlati?

Il team di ricerca ha progettato un chip con quattro qubit realizzati con elementi superconduttori niobio e alluminio. Gli scienziati hanno raffreddato il chip fino quasi allo zero assoluto, che lo rende superconduttore e lo protegge dalle interferenze che causano errori dall'ambiente esterno.

Per valutare se i flip di qubit fossero correlati, i ricercatori hanno misurato le fluttuazioni della carica di offset per tutti e quattro i qubit. La carica di offset fluttuante è effettivamente un cambiamento nel campo elettrico al qubit.

Il team ha osservato lunghi periodi di relativa stabilità seguiti da improvvisi salti nella carica compensata. I due qubit più vicini erano insieme, più era probabile che saltassero contemporaneamente. Questi cambiamenti improvvisi sono stati molto probabilmente causati da raggi cosmici o radiazioni di fondo in laboratorio, che entrambi rilasciano particelle cariche. Quando una di queste particelle colpisce il chip, libera gli addebiti che interessano i qubit vicini.

Questo effetto locale può essere facilmente mitigato con semplici modifiche progettuali. La preoccupazione più grande è cosa potrebbe accadere dopo.

"Se il nostro modello sugli impatti delle particelle è corretto, quindi ci aspetteremmo che la maggior parte dell'energia venga convertita in vibrazioni nel chip che si propagano su lunghe distanze, "dice Chris Wilen, uno studente laureato e autore principale dello studio. "Mentre l'energia si diffonde, il disturbo porterebbe a capovolgimenti di qubit che sono correlati attraverso l'intero chip."

Nella loro prossima serie di esperimenti, quell'effetto è esattamente quello che hanno visto. Hanno misurato i salti di carica in un qubit, come negli esperimenti precedenti, ha quindi utilizzato i tempi di questi salti per allineare le misurazioni degli stati quantistici di altri due qubit. Questi due qubit dovrebbero essere sempre nello stato computazionale 1. Eppure i ricercatori hanno scoperto che ogni volta che vedevano un salto di carica nel primo qubit, gli altri due, indipendentemente dalla distanza sul chip, sono passati rapidamente dallo stato computazionale 1 allo stato 0.

"È un effetto a lungo raggio, ed è davvero dannoso, " Dice Wilen. "Sta distruggendo le informazioni quantistiche memorizzate nei qubit".

Sebbene questo lavoro possa essere visto come una battuta d'arresto nello sviluppo di computer quantistici superconduttori, i ricercatori ritengono che i loro risultati guideranno la nuova ricerca verso questo problema. I gruppi di UW-Madison stanno già lavorando a strategie di mitigazione.

"Man mano che ci avviciniamo all'obiettivo finale di un computer quantistico tollerante ai guasti, identificheremo un nuovo problema dopo l'altro, " dice McDermott. "Questa è solo una parte del processo per imparare di più sul sistema, fornendo un percorso verso l'implementazione di progetti più resilienti."