Gli ingegneri hanno lottato a lungo su come rendere i computer quantistici meno soggetti a errori, spesso sviluppando modi per rilevare e correggere gli errori anziché prevenirli in primo luogo. Tuttavia, molti di questi schemi di correzione degli errori implicano la duplicazione delle informazioni su centinaia o migliaia di qubit fisici contemporaneamente, il che diventa rapidamente difficile da espandere in modo efficiente.

Ora, un team di scienziati guidati da ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago ha sviluppato il progetto di un computer quantistico in grado di correggere gli errori in modo più efficiente. Il sistema utilizza un nuovo framework, basato su codici di controllo di parità a bassa densità quantistica (qLDPC), in grado di rilevare errori osservando la relazione tra bit, nonché un nuovo hardware che coinvolge array di atomi riconfigurabili, che consentono ai qubit di comunicare con più vicini e quindi consentire che i dati qLDPC siano codificati in meno qubit.

"Con questo progetto proposto, abbiamo ridotto le spese generali necessarie per la correzione degli errori quantistici, il che apre nuove strade per lo sviluppo dei computer quantistici", ha affermato Liang Jiang, professore di ingegneria molecolare e autore senior del nuovo lavoro, pubblicato su Fisica della natura .

Rumore intrinseco

Mentre i computer standard si affidano a bit digitali, in posizione accesa o spenta, per codificare i dati, i qubit possono esistere in stati di sovrapposizione, dando loro la capacità di affrontare nuovi problemi computazionali. Tuttavia, le proprietà uniche dei qubit li rendono anche incredibilmente sensibili al loro ambiente; cambiano stato in base alla temperatura circostante e all'elettromagnetismo.

"I sistemi quantistici sono intrinsecamente rumorosi. Non c'è davvero modo di costruire una macchina quantistica che non abbia errori", ha detto Qian Xu, uno studente laureato della PME che ha guidato il nuovo lavoro. "Se vuoi ampliare il tuo sistema quantistico e renderlo utile per compiti pratici, devi avere un modo per eseguire la correzione attiva degli errori."

Negli ultimi decenni, gli scienziati si sono rivolti principalmente a un tipo di correzione degli errori, chiamato codici di superficie, per i sistemi quantistici. In questi sistemi, si codificano simultaneamente le stesse informazioni logiche in molti bit fisici, disposti in una grande griglia bidimensionale. Gli errori possono essere dedotti confrontando i qubit con i loro vicini diretti. Una mancata corrispondenza suggerisce che un qubit ha fallito.

"Il problema è che è necessario un enorme sovraccarico di risorse", ha affermato Xu. "In alcuni di questi sistemi, sono necessari mille qubit fisici per ogni qubit logico, quindi a lungo termine non pensiamo di poter estendere questa cifra a computer molto grandi."

Riduzione della ridondanza

Nel loro nuovo sistema, Jiang, Xu e colleghi dell'Università di Harvard, Caltech, Università dell'Arizona e QuEra Computing miravano invece a utilizzare i codici qLDPC per correggere gli errori. Questo tipo di correzione degli errori era stato considerato a lungo, ma non implementato in un progetto realistico.

Con i codici qLDPC, i dati in qubit non vengono solo confrontati con i vicini diretti ma anche con qubit più distanti. Consente di utilizzare una griglia di qubit più piccola per ottenere lo stesso numero di confronti per la correzione degli errori. Tuttavia, questo tipo di comunicazione a lunga distanza tra qubit è sempre stato il punto critico nell'implementazione di qLDPC.

I ricercatori hanno trovato una soluzione sotto forma di nuovo hardware:atomi riconfigurabili che possono essere spostati con i laser per consentire ai qubit di comunicare con nuovi partner.

"Con gli odierni sistemi di array di atomi riconfigurabili, possiamo controllare e manipolare più di mille qubit fisici con alta fedeltà e connettere qubit separati da una grande distanza", ha affermato Harry Zhou dell'Università di Harvard e QuEra Computing. "Abbinando la struttura dei codici quantistici e queste capacità hardware, possiamo implementare questi codici qLDPC più avanzati con solo poche linee di controllo, rendendone la realizzazione alla portata dei sistemi sperimentali odierni."

Quando hanno combinato i codici qLDPC con array di atomi neutri riconfigurabili, il team è riuscito a ottenere un tasso di errore migliore rispetto all’utilizzo di codici di superficie con solo poche centinaia di qubit fisici. In caso di aumento di scala, gli algoritmi quantistici che coinvolgono migliaia di qubit logici potrebbero essere realizzati con meno di 100.000 qubit fisici, molto più efficienti dei codici di superficie standard di riferimento.

"C'è ancora ridondanza in termini di codifica dei dati in più qubit fisici, ma l'idea è che abbiamo ridotto di molto tale ridondanza", ha affermato Xu.

Il quadro è ancora teorico, anche se gli scienziati stanno rapidamente sviluppando piattaforme di array di atomi che si muovono verso l’uso pratico del calcolo quantistico con correzione degli errori. Il team PME sta ora lavorando per perfezionare ulteriormente il proprio progetto e garantire che i qubit logici che si basano su codici qLDPC e array di atomi riconfigurabili possano essere utilizzati nei calcoli.

"Riteniamo che, a lungo termine, questo ci consentirà di costruire computer quantistici molto grandi con tassi di errore inferiori", ha affermato Xu.