Impressione artistica delle operazioni di gate su bit quantistici logici, che sono protetti dai guasti mediante la correzione dell'errore quantistico. Credito:Johannes Knünz
Nei computer moderni, gli errori durante l'elaborazione e la memorizzazione delle informazioni sono diventati una rarità a causa della fabbricazione di alta qualità. Tuttavia, per le applicazioni critiche, dove anche singoli errori possono avere gravi effetti, vengono ancora utilizzati meccanismi di correzione degli errori basati sulla ridondanza dei dati elaborati.
I computer quantistici sono intrinsecamente molto più suscettibili ai disturbi e quindi probabilmente richiederanno sempre meccanismi di correzione degli errori, perché altrimenti gli errori si propagheranno incontrollati nel sistema e le informazioni andranno perse. Poiché le leggi fondamentali della meccanica quantistica vietano di copiare le informazioni quantistiche, la ridondanza può essere ottenuta distribuendo informazioni quantistiche logiche in uno stato entangled di diversi sistemi fisici, ad esempio più singoli atomi.
Il team guidato da Thomas Monz del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'Università di Innsbruck e Markus Müller dell'Università RWTH di Aquisgrana e del Forschungszentrum Jülich in Germania è ora riuscito per la prima volta a realizzare un insieme di operazioni computazionali su due bit quantistici logici che possono essere utilizzato per realizzare ogni possibile operazione. "Per un computer quantistico del mondo reale, abbiamo bisogno di un insieme universale di porte con cui possiamo programmare tutti gli algoritmi", spiega Lukas Postler, un fisico sperimentale di Innsbruck.
Operazione quantistica fondamentale realizzata
Il team di ricercatori ha implementato questo gate universale impostato su un computer quantistico a trappola ionica con 16 atomi intrappolati. Le informazioni quantistiche sono state memorizzate in due bit quantistici logici, ciascuno distribuito su sette atomi.
Ora, per la prima volta, è stato possibile implementare due porte computazionali su questi bit quantistici fault-tolerant, necessari per un insieme universale di porte:un'operazione computazionale su due bit quantistici (una porta CNOT) e una T logica gate, che è particolarmente difficile da implementare su bit quantistici fault-tolerant.
"Le porte a T sono operazioni fondamentali", spiega il fisico teorico Markus Müller. "Sono particolarmente interessanti perché gli algoritmi quantistici senza porte a T possono essere simulati in modo relativamente semplice sui computer classici, annullando ogni possibile accelerazione. Questo non è più possibile per gli algoritmi con porte a T". I fisici hanno dimostrato il T-gate preparando uno stato speciale in un bit quantico logico e teletrasportandolo a un altro bit quantistico tramite un'operazione di gate entangled.
Sono stati dimostrati gli elementi costitutivi fondamentali per il calcolo quantistico tollerante ai guasti. Credito:Uni Innsbruck/Harald Ritsch
Complexity increases, but accuracy also
In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone.
The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.
"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.
The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.
La ricerca è stata pubblicata su Natura . + Esplora ulteriormente
