Anche se i computer quantistici sono una tecnologia giovane e non sono ancora pronti per l'uso pratico di routine, i ricercatori hanno già studiato i vincoli teorici che legheranno le tecnologie quantistiche. Una delle cose che i ricercatori hanno scoperto è che ci sono limiti alla velocità con cui le informazioni quantistiche possono correre su qualsiasi dispositivo quantistico.

Questi limiti di velocità sono chiamati limiti di Lieb-Robinson, e, per molti anni, alcuni dei limiti hanno schernito i ricercatori. Per determinati compiti, c'era un divario tra le migliori velocità consentite dalla teoria e le velocità possibili con i migliori algoritmi che chiunque avesse progettato. È come se nessuna casa automobilistica potesse capire come realizzare un modello che ha raggiunto il limite dell'autostrada locale.

Ma a differenza dei limiti di velocità sulle strade, i limiti di velocità delle informazioni non possono essere ignorati quando si ha fretta:sono i risultati inevitabili delle leggi fondamentali della fisica. Per qualsiasi compito quantistico, c'è un limite alla velocità con cui le interazioni possono far sentire la loro influenza (e quindi trasferire informazioni) a una certa distanza. Le regole sottostanti definiscono le migliori prestazioni possibili. In questo modo, i limiti di velocità delle informazioni sono più simili al punteggio massimo di un gioco arcade della vecchia scuola che alle leggi sul traffico, e raggiungere il punteggio finale è un premio allettante per gli scienziati.

Ora un team di ricercatori, guidato da JQI Fellow Alexey Gorshkov, hanno trovato un protocollo quantistico che raggiunge i limiti di velocità teorici per determinati compiti quantistici. Il loro risultato fornisce nuove informazioni sulla progettazione di algoritmi quantistici ottimali e dimostra che non c'è stato un minore, limiti sconosciuti che vanificano i tentativi di realizzare progetti migliori. Gorshkov, che è anche membro del Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) e fisico presso il National Institute of Standards and Technology, e i suoi colleghi hanno presentato il loro nuovo protocollo in un recente articolo pubblicato sulla rivista Revisione fisica X .

"Questo divario tra le velocità massime e le velocità ottenibili ci aveva infastidito, perché non sapevamo se era il limite che era sciolto, o se non siamo stati abbastanza intelligenti da migliorare il protocollo, "dice Minh Tran, uno studente laureato JQI e QuICS che è stato l'autore principale dell'articolo. "In realtà non ci aspettavamo che questa proposta fosse così potente. E stavamo cercando molto di migliorare il limite, si è scoperto che non era possibile. Quindi, siamo entusiasti di questo risultato".

Non sorprende, il limite di velocità teorico per l'invio di informazioni in un dispositivo quantistico (come un computer quantistico) dipende dalla struttura sottostante del dispositivo. Il nuovo protocollo è progettato per dispositivi quantistici in cui gli elementi costitutivi di base, i qubit, si influenzano a vicenda anche quando non sono vicini l'uno all'altro. In particolare, il team ha progettato il protocollo per i qubit che hanno interazioni che si indeboliscono con l'aumentare della distanza tra loro. Il nuovo protocollo funziona per una serie di interazioni che non si indeboliscono troppo rapidamente, che copre le interazioni in molti blocchi pratici delle tecnologie quantistiche, compresi i centri per l'azoto vacanti, atomi di Rydberg, molecole polari e ioni intrappolati.

In modo cruciale, il protocollo può trasferire informazioni contenute in uno stato quantico sconosciuto a un qubit distante, una caratteristica essenziale per ottenere molti dei vantaggi promessi dai computer quantistici. Ciò limita il modo in cui le informazioni possono essere trasferite ed esclude alcuni approcci diretti, come creare una copia delle informazioni nella nuova posizione. (Ciò richiede la conoscenza dello stato quantico che stai trasferendo.)

Nel nuovo protocollo, i dati memorizzati su un qubit sono condivisi con i suoi vicini, utilizzando un fenomeno chiamato entanglement quantistico. Quindi, poiché tutti quei qubit aiutano a trasportare le informazioni, lavorano insieme per diffonderlo ad altri set di qubit. Poiché sono coinvolti più qubit, trasferiscono le informazioni ancora più rapidamente.

Questo processo può essere ripetuto per continuare a generare blocchi più grandi di qubit che passano le informazioni sempre più velocemente. Quindi, invece del semplice metodo dei qubit che passano le informazioni uno per uno come una squadra di basket che passa la palla in campo, i qubit sono più simili a fiocchi di neve che si combinano in una palla di neve più grande e che rotola più rapidamente ad ogni passo. E più grande è la palla di neve, più fiocchi si attaccano ad ogni giro.

Ma forse è qui che finiscono le somiglianze con le palle di neve. A differenza di una vera palla di neve, la collezione quantistica può anche srotolarsi. Le informazioni vengono lasciate sul qubit distante quando il processo viene eseguito al contrario, riportando tutti gli altri qubit ai loro stati originali.

Quando i ricercatori hanno analizzato il processo, hanno scoperto che i qubit a valanga accelerano lungo le informazioni ai limiti teorici consentiti dalla fisica. Poiché il protocollo raggiunge il limite precedentemente dimostrato, nessun protocollo futuro dovrebbe essere in grado di superarlo.

"Il nuovo aspetto è il modo in cui intrecciamo due blocchi di qubit, " Dice Tran. "In precedenza, c'era un protocollo che impigliava le informazioni in un blocco e poi cercava di unire i qubit dal secondo blocco in esso uno per uno. Ma ora poiché implichiamo anche i qubit nel secondo blocco prima di unirli nel primo blocco, il miglioramento sarà maggiore."

Il protocollo è il risultato del team che esplora la possibilità di spostare contemporaneamente le informazioni memorizzate su più qubit. Si sono resi conto che l'utilizzo di blocchi di qubit per spostare le informazioni avrebbe migliorato la velocità di un protocollo.

"Dal lato pratico, il protocollo ci consente non solo di propagare informazioni, ma anche impigliare le particelle più velocemente, " Dice Tran. "E sappiamo che usando le particelle entangled puoi fare molte cose interessanti come misurare e rilevare con una maggiore precisione. E spostare le informazioni velocemente significa anche che puoi elaborare le informazioni più velocemente. Ci sono molti altri colli di bottiglia nella costruzione di computer quantistici, ma almeno dal lato dei limiti fondamentali, sappiamo cosa è possibile e cosa no".

Oltre agli approfondimenti teorici e alle possibili applicazioni tecnologiche, i risultati matematici del team rivelano anche nuove informazioni su quanto deve essere grande un calcolo quantistico per simulare particelle con interazioni come quelle dei qubit nel nuovo protocollo. I ricercatori sperano di esplorare i limiti di altri tipi di interazioni e di esplorare ulteriori aspetti del protocollo, come la sua robustezza contro il rumore che interrompe il processo.