I promettenti qubit di spin per le tecnologie quantistiche, come i difetti nel carburo di silicio, vengono simulati su un computer quantistico, rivelando e mitigando l'effetto del rumore hardware. Credito:Benchen Huang, Università di Chicago.
I computer quantistici promettono di rivoluzionare la scienza consentendo calcoli che un tempo erano ritenuti impossibili. Ma affinché i computer quantistici diventino una realtà quotidiana, c'è ancora molta strada da fare con molti test impegnativi da superare.
Uno dei test prevede l'utilizzo di computer quantistici per simulare le proprietà dei materiali per le tecnologie quantistiche di prossima generazione.
In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università di Chicago, i ricercatori hanno eseguito simulazioni quantistiche di difetti di spin, che sono impurità specifiche nei materiali che potrebbero offrire una base promettente per nuove tecnologie quantistiche. Lo studio ha migliorato l'accuratezza dei calcoli sui computer quantistici correggendo il rumore introdotto dall'hardware quantistico.
La ricerca è stata condotta nell'ambito del Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), un programma di scienze dei materiali computazionali del DOE con sede ad Argonne, nonché di Q-NEXT, un Centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica del DOE.
"Il motivo per cui eseguiamo questo tipo di simulazioni è per acquisire una comprensione fondamentale delle proprietà dei materiali e anche per dire agli sperimentatori come eventualmente progettare meglio i materiali per le nuove tecnologie", ha affermato Giulia Galli, professore alla Pritzker School of Molecular Engineering e al Dipartimento di Chimica all'Università di Chicago, scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory, collaboratore di Q-NEXT e direttore del MICCoM. "I risultati sperimentali ottenuti per i sistemi quantistici sono spesso piuttosto intricati e possono essere difficili da interpretare. Avere una simulazione è importante per aiutare a interpretare i risultati sperimentali e quindi avanzare nuove previsioni."
Mentre le simulazioni quantistiche sono state eseguite per molto tempo sui computer tradizionali, i computer quantistici potrebbero essere in grado di risolvere problemi che nemmeno i computer tradizionali più potenti di oggi possono affrontare. Il raggiungimento di tale obiettivo resta da vedere, poiché i ricercatori intorno al lavoro continuano lo sforzo per costruire e utilizzare computer quantistici
"Vogliamo imparare a utilizzare le nuove tecnologie computazionali emergenti", ha affermato Galli, autore principale del documento. "Lo sviluppo di strategie solide agli albori dell'informatica quantistica è un primo passo importante per essere in grado di capire come utilizzare queste macchine in modo efficiente in futuro."
L'analisi dei difetti di rotazione offre un sistema reale per convalidare le capacità dei computer quantistici.
"La grande maggioranza dei calcoli con i computer quantistici in questi giorni sono su sistemi modello", ha detto Galli. "Questi modelli sono interessanti in teoria, ma simulare un materiale reale di interesse sperimentale è più prezioso per l'intera comunità scientifica."
L'esecuzione di calcoli delle proprietà di materiali e molecole su computer quantistici deve affrontare un problema che non si verifica con un computer classico, un fenomeno noto come rumore hardware. I calcoli rumorosi restituiscono risposte leggermente diverse ogni volta che viene eseguito un calcolo; un'operazione di addizione rumorosa potrebbe restituire valori leggermente diversi da 4 ogni volta per la domanda "Che cos'è 2 più 2?"
"L'incertezza nella misurazione dipende dall'hardware quantistico", ha affermato lo scienziato di Argonne Marco Govoni, co-autore principale dello studio. "Uno dei risultati del nostro lavoro è che siamo stati in grado di correggere le nostre simulazioni per compensare il rumore che abbiamo riscontrato sull'hardware."
Capire come gestire il rumore nei computer quantistici per simulazioni realistiche è un risultato importante, ha affermato il dottorando dell'Università di Chicago Benchen Huang, il primo autore dello studio.
"Possiamo prevedere che in futuro potremmo avere un calcolo quantistico silenzioso:imparare a eliminare o cancellare il rumore nella nostra simulazione ci insegnerà anche se il vantaggio quantistico può diventare una realtà e per quali problemi nella scienza dei materiali."
Alla fine, secondo Galli, il potenziale rivoluzionario dei computer quantistici motiverà più lavoro in questo senso.
"Abbiamo appena iniziato", ha detto. "La strada da percorrere sembra piena di sfide entusiasmanti."
Un documento basato sullo studio è apparso online in Physical Review X Quantum il 10 marzo. + Esplora ulteriormente
