La ricerca condotta nell'ambito del Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" (ML4Q) ha analizzato le strutture dei dispositivi all'avanguardia dei computer quantistici per dimostrare che alcuni di essi stanno effettivamente operando pericolosamente vicino a una soglia di tracollo caotico. La sfida è camminare su una linea sottile tra un disordine troppo alto, ma anche troppo basso per salvaguardare il funzionamento del dispositivo. Lo studio è stato pubblicato oggi su Nature Communications .

Nella corsa per quella che potrebbe diventare una tecnologia chiave del futuro, giganti della tecnologia come IBM e Google stanno investendo enormi risorse nello sviluppo dell'hardware di calcolo quantistico. Tuttavia, le piattaforme attuali non sono ancora pronte per applicazioni pratiche. Rimangono molteplici sfide, tra cui il controllo delle imperfezioni del dispositivo ("disturbo").

È una vecchia precauzione di stabilità:quando grandi gruppi di persone attraversano i ponti, devono evitare di marciare al passo per evitare la formazione di risonanze che destabilizzano la costruzione. Forse controintuitivamente, il processore qubit transmon superconduttore, una piattaforma tecnologicamente avanzata per il calcolo quantistico favorita da IBM, Google e altri consorzi, si basa sullo stesso principio:il disordine introdotto intenzionalmente blocca la formazione di fluttuazioni caotiche risonanti, diventando così una parte essenziale del produzione di processori multi-qubit.

Per comprendere questo punto apparentemente paradossale, si dovrebbe pensare a un transmon qubit come a una specie di pendolo. I qubit interconnessi per formare una struttura di calcolo definiscono un sistema di pendoli accoppiati, un sistema che, come i pendoli classici, può essere facilmente eccitato da oscillazioni incontrollabili con conseguenze disastrose. Nel mondo quantistico, tali oscillazioni incontrollabili portano alla distruzione dell'informazione quantistica; il computer diventa inutilizzabile. I "detuning" locali dei singoli pendoli introdotti intenzionalmente tengono a bada tali fenomeni.

"Il chip transmon non solo tollera, ma in realtà richiede imperfezioni del dispositivo da qubit a qubit effettivamente casuali", ha spiegato Christoph Berke, studente di dottorato dell'ultimo anno nel gruppo di Simon Trebst presso l'Università di Colonia e primo autore dell'articolo. "Nel nostro studio, ci chiediamo quanto sia affidabile nella pratica il principio della 'stabilità per casualità'. Applicando la diagnostica all'avanguardia della teoria dei sistemi disordinati, siamo stati in grado di scoprire che almeno alcuni dei le architetture di sistema perseguite sono pericolosamente vicine all'instabilità."

Dal punto di vista della fisica quantistica fondamentale, un processore transmon è un sistema quantistico a molti corpi con livelli di energia quantizzati. Strumenti numerici all'avanguardia consentono di calcolare questi livelli discreti in funzione dei parametri di sistema rilevanti, per ottenere modelli superficialmente simili a un groviglio di spaghetti cotti. Un'analisi attenta di tali strutture per i chip Google e IBM modellati in modo realistico è stato uno dei numerosi strumenti diagnostici applicati nel documento per tracciare un diagramma di stabilità per il calcolo quantistico transmon.

"Quando abbiamo confrontato Google con i chip IBM, abbiamo scoperto che in quest'ultimo caso gli stati dei qubit possono essere accoppiati a un livello tale da compromettere le operazioni dei gate controllati", ha affermato Simon Trebst, capo del gruppo Computational Condensed Matter Physics dell'Università di Colonia. Per garantire operazioni di gate controllate, è quindi necessario trovare il sottile equilibrio tra la stabilizzazione dell'integrità dei qubit e l'abilitazione dell'accoppiamento tra qubit. Nel gergo della preparazione della pasta, è necessario preparare alla perfezione il processore del computer quantistico, mantenendo gli stati energetici 'al dente' ed evitando che si aggroviglino per la cottura eccessiva.

Lo studio del disturbo nell'hardware dei transmoni è stato condotto nell'ambito del Cluster of Excellence ML4Q in un lavoro di collaborazione tra i gruppi di ricerca di Simon Trebst e Alexander Altland presso l'Università di Colonia e il gruppo di David DiVincenzo presso la RWTH Aachen University e Forschungszentrum Jülich. "Questo progetto di collaborazione è davvero unico", afferma Alexander Altland dell'Istituto di fisica teorica di Colonia. "La nostra conoscenza complementare dell'hardware transmon, della simulazione numerica di complessi sistemi a molti corpi e del caos quantistico era il prerequisito perfetto per capire come proteggere le informazioni quantistiche con disordine. Indica anche come le intuizioni ottenute per piccoli sistemi di riferimento possono essere trasferite all'applicazione -scale di progettazione rilevanti."

David DiVincenzo, founding director of the JARA-Institute for Quantum Information at RWTH Aachen University, draws the following conclusion:"Our study demonstrates how important it is for hardware developers to combine device modeling with state-of-the-art quantum randomness methodology and to integrate 'chaos diagnostics' as a routine part of qubit processor design in the  superconducting platform." + Esplora ulteriormente

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