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I ricercatori della Duke University e dell'Università del Maryland hanno utilizzato la frequenza delle misurazioni su un computer quantistico per dare un'occhiata ai fenomeni quantistici dei cambiamenti di fase, qualcosa di analogo all'acqua che si trasforma in vapore.
Misurando il numero di operazioni che possono essere implementate su un sistema di calcolo quantistico senza innescare il collasso del suo stato quantistico, i ricercatori hanno ottenuto informazioni su come altri sistemi, sia naturali che computazionali, incontrano i loro punti critici tra le fasi. I risultati forniscono anche una guida per gli informatici che lavorano per implementare la correzione dell'errore quantistico che alla fine consentirà ai computer quantistici di raggiungere il loro pieno potenziale.
I risultati sono apparsi online il 3 giugno sulla rivista Nature Physics .
Quando si riscalda l'acqua a ebollizione, il movimento delle molecole si evolve al variare della temperatura fino a raggiungere un punto critico quando inizia a trasformarsi in vapore. In modo simile, un sistema di calcolo quantistico può essere sempre più manipolato in fasi temporali discrete fino a quando il suo stato quantistico non collassa in un'unica soluzione.
"Ci sono profonde connessioni tra le fasi della materia e la teoria quantistica, che è ciò che è così affascinante", ha affermato Crystal Noel, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e fisica alla Duke. "Il sistema di calcolo quantistico si comporta allo stesso modo dei sistemi quantistici che si trovano in natura, come il liquido che si trasforma in vapore, anche se è digitale."
La potenza dei computer quantistici risiede nella capacità dei loro qubit di essere una combinazione di 1 e 0 allo stesso tempo, con una crescita esponenziale della complessità del sistema man mano che vengono aggiunti più qubit. Ciò consente loro di affrontare un problema con un enorme parallelismo, come cercare di mettere insieme i pezzi di un puzzle tutti in una volta anziché uno alla volta. I qubit, tuttavia, devono essere in grado di mantenere la loro indecisione quantistica fino a quando non viene raggiunta una soluzione.
Una delle tante sfide che questo presenta è nella correzione degli errori. Alcuni dei qubit perderanno inevitabilmente un'informazione e il sistema deve essere in grado di scoprire e correggere questi errori. Ma poiché i sistemi quantistici perdono la loro "quantità" quando vengono misurati, tenere d'occhio gli errori è un compito difficile. Anche con qubit extra che tengono d'occhio le cose, più un algoritmo quantistico viene sondato per errori, più è probabile che fallisca.
"Come le molecole d'acqua sul punto di diventare vapore, c'è una soglia di misurazioni che un computer quantistico può sopportare prima che perda le sue informazioni quantistiche", ha detto Noel. "E quel numero di misurazioni è un'analogia per quanti errori il computer può sopportare e continuare a funzionare correttamente."
Nel nuovo articolo, Noel e i suoi colleghi sondano la soglia di transizione e lo stato del sistema su entrambi i lati.
Lavorando a stretto contatto con Christopher Monroe, illustre professore presidenziale di ingegneria e fisica della famiglia Gilhuly presso la Duke, Marko Cetina, assistente professore di fisica presso la Duke, e Michael Gullans e Alexey Gorshkov presso l'Università del Maryland e il National Institute of Standards and Technology, il il gruppo ha co-progettato un software per eseguire circuiti quantistici casuali adattati alle capacità del loro sistema quantistico. L'esperimento è stato eseguito su uno dei computer quantistici a trappola ionica del Duke Quantum Center, uno dei più potenti sistemi di calcolo quantistico al mondo.
"Il numero di qubit nel sistema, la fedeltà delle sue operazioni e il livello di automazione del sistema combinati insieme allo stesso tempo sono unici per questo sistema di computer quantistico", ha affermato Noel. "Altri sistemi sono stati in grado di ottenerli individualmente, ma mai tutti e tre contemporaneamente in un sistema accademico. Questo è ciò che ci ha permesso di eseguire questi esperimenti."
Facendo la media su molti circuiti casuali, il team è stato in grado di vedere come la frequenza di misurazione ha influenzato i qubit. Come previsto, è emerso un punto critico in cui il sistema ha inevitabilmente perso la sua coerenza e le informazioni quantistiche e, osservando come si è comportato il sistema su entrambi i lati di quella transizione di fase, i ricercatori saranno in grado di costruire approcci migliori ai codici di correzione degli errori nel futuro.
I dati forniscono anche uno sguardo unico su come si verificano altri cambiamenti di fase in natura che i ricercatori non sono mai stati in grado di vedere prima.
"Questa dimostrazione è un perfetto esempio di ciò che facciamo unicamente al Duke Quantum Center", ha detto Monroe. "Mentre i nostri computer quantistici sono fatti di atomi che sono sotto un controllo squisito con trappole elettromagnetiche, laser e ottiche, possiamo distribuire questi sistemi per fare qualcosa di completamente diverso, in questo caso sondare la natura quantistica sottostante delle transizioni di fase. Questo stesso computer quantistico può essere applicato anche alla risoluzione di modelli irritanti in campi che vanno dalle reazioni chimiche, al sequenziamento del DNA e all'astrofisica. Ciò richiede esperienza non solo nella fisica atomica, ma nell'ingegneria dei sistemi, nell'informatica e in qualsiasi campo definisca l'applicazione da eseguire". + Esplora ulteriormente
