La simulazione del circuito quantistico può rivelare l'impatto del rumore sui dispositivi quantistici su scala intermedia. Credito:Donald Jorgensen | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
I computer quantistici dovrebbero rivoluzionare il modo in cui i ricercatori risolvono problemi informatici difficili. Questi computer sono stati progettati per affrontare le principali sfide in aree di ricerca fondamentali, come la chimica quantistica. Nella sua attuale fase di sviluppo, il calcolo quantistico è ancora molto sensibile al rumore e ai fattori di disturbo nell'ambiente. Ciò rende l'informatica quantistica "rumorosa" poiché i bit quantistici, o qubit, perdono informazioni fuori sincronia, un processo chiamato decoerenza.
Per superare i limiti degli attuali computer quantistici, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) stanno sviluppando simulazioni che forniscono uno sguardo su come funzionano i computer quantistici.
"Quando cerchiamo di osservare direttamente il comportamento dei sistemi quantistici, come i qubit, i loro stati quantistici collasseranno", ha affermato Ang Li, scienziato informatico del PNNL. Li è anche ricercatore per il Quantum Science Center e il Co-Design Center for Quantum Advantage, due dei cinque centri nazionali di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica del Dipartimento dell'energia. "Per aggirare questo problema, utilizziamo simulazioni per studiare i qubit e la loro interazione con l'ambiente."
Li e i collaboratori dell'Oak Ridge National Laboratory e Microsoft utilizzano il calcolo ad alte prestazioni per sviluppare simulatori che imitano dispositivi quantistici reali per l'esecuzione di circuiti quantistici complessi. Di recente, hanno combinato due diversi tipi di simulazioni per creare il Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) per testare algoritmi quantistici.
"Testare algoritmi quantistici su dispositivi quantistici è lento e costoso. Inoltre, alcuni algoritmi sono troppo avanzati per gli attuali dispositivi quantistici", ha affermato Li. "I nostri simulatori quantistici possono aiutarci a guardare oltre i limiti dei dispositivi esistenti e testare algoritmi per sistemi più sofisticati."
Algoritmi per computer quantistici
Nathan Wiebe, un incaricato congiunto del PNNL dell'Università di Toronto e professore affiliato all'Università di Washington, sta adottando un'altra strategia con la scrittura di codice per computer quantistici. Sebbene a volte possa essere frustrante essere limitati dalle capacità degli attuali dispositivi quantistici, Wiebe vede questa sfida come un'opportunità.
I computer quantistici sono particolarmente abili nel considerare simultaneamente un gran numero di possibili combinazioni, ma l'instabilità dei qubit nei dispositivi moderni contribuisce a errori nei calcoli. Credito:Timothy Holland | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
"I circuiti quantistici rumorosi producono errori nei calcoli", ha affermato Wiebe. "Più qubit sono necessari per un calcolo, più è soggetto a errori."
Wiebe e collaboratori dell'Università di Washington hanno sviluppato nuovi algoritmi per correggere questi errori in determinati tipi di simulazioni.
"Questo lavoro fornisce un modo più economico e veloce per eseguire la correzione degli errori quantistici. Ci avvicina potenzialmente alla dimostrazione di un esempio utile dal punto di vista computazionale di una simulazione quantistica per la teoria quantistica dei campi su hardware quantistico a breve termine", ha affermato Wiebe.
La materia oscura incontra l'informatica quantistica
Mentre Wiebe cerca di mitigare il rumore creando algoritmi per la correzione degli errori, il fisico Ben Loer ei suoi colleghi guardano all'ambiente per controllare le fonti esterne di rumore.
Loer usa il suo background per raggiungere livelli ultra bassi di radioattività naturale, necessari per cercare prove sperimentali della materia oscura nell'universo, per aiutare a prevenire la decoerenza dei qubit.
"Le radiazioni dall'ambiente, come i raggi gamma e i raggi X, esistono ovunque", ha affermato Loer. "Dato che i qubit sono così sensibili, avevamo l'idea che questa radiazione potesse interferire con i loro stati quantistici."
Credito:Brookhaven National Laboratory
Per testare questo, Loer, il capo del progetto Brent VanDevender e il collega John Orrell, hanno collaborato con i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e il Lincoln Laboratory del MIT ha utilizzato uno scudo di piombo per proteggere i qubit dalle radiazioni. Hanno progettato lo scudo per l'uso all'interno di un frigorifero a diluizione, una tecnologia utilizzata per produrre la temperatura appena sopra lo zero assoluto necessaria per il funzionamento di qubit superconduttori. Hanno visto che la decoerenza dei qubit è diminuita quando i qubit sono stati protetti.
Sebbene questo sia il primo passo verso la comprensione di come le radiazioni influenzino l'informatica quantistica, Loer intende esaminare come le radiazioni disturbino i circuiti e i substrati all'interno di un sistema quantistico. "Possiamo simulare e modellare queste interazioni quantistiche per contribuire a migliorare la progettazione di dispositivi quantistici", ha affermato Loer.
Loer sta portando la sua ricerca sul frigorifero a diluizione con schermatura al piombo sottoterra nello Shallow Underground Laboratory del PNNL con l'aiuto del chimico del PNNL Marvin Warner
"Se sviluppiamo un dispositivo quantistico che non funziona come dovrebbe, dobbiamo essere in grado di individuare il problema", ha affermato Warner. "Schermando i qubit dalle radiazioni esterne, possiamo iniziare a caratterizzare altre potenziali fonti di rumore nel dispositivo". + Esplora ulteriormente
