Le tecniche utilizzate dal team potrebbero aiutare a sviluppare capacità di simulazione quantistica per la prossima generazione di computer quantistici.

Lo studio ha utilizzato il computer H1-1 di Quantinuum per modellare una versione quantistica di un modello matematico classico che tiene traccia del modo in cui si diffonde una malattia. Il tempo trascorso al computer è stato fornito da QCUP, parte dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility, che assegna tempo su processori quantistici di proprietà privata in tutto il paese per supportare progetti di ricerca.

Il modello utilizzava bit quantistici, o qubit, per simulare la transizione tra stati attivi, come l'infezione, e stati inattivi, come la morte o il recupero.

"L'obiettivo di questo studio era quello di lavorare per sviluppare capacità su un computer quantistico per risolvere questo problema e altri simili che sono difficili da calcolare sui computer convenzionali", ha affermato Andrew Potter, coautore dello studio e assistente professore di fisica. presso l'Università della British Columbia a Vancouver.

"Questo esperimento modella il tentativo di guidare un sistema quantistico verso un particolare stato mentre compete con le fluttuazioni quantistiche lontano da questo stato. C'è un punto di transizione in cui questi effetti concorrenti si bilanciano esattamente. Quel punto separa una fase in cui la guida riesce e dove fallisce. "

Quanto più il sistema si allontana dall’equilibrio, tanto più è probabile che le versioni classiche del modello falliscano a causa delle dimensioni e della complessità delle equazioni. Il team di ricerca ha cercato di utilizzare il calcolo quantistico per modellare tali dinamiche.

I computer classici memorizzano le informazioni in bit uguali a 0 o 1. In altre parole, un bit classico, come un interruttore della luce, esiste in uno dei due stati:acceso o spento. Quella dinamica binaria non si adatta necessariamente alla modellizzazione degli stati di transizione come quelli studiati nel modello della malattia.

L’informatica quantistica utilizza le leggi della meccanica quantistica per archiviare informazioni in qubit, l’equivalente quantistico dei bit. I qubit possono esistere in più di uno stato contemporaneamente tramite la sovrapposizione quantistica, che consente ai qubit di trasportare più informazioni rispetto ai bit classici.

Nella sovrapposizione quantistica, un qubit può esistere in due stati contemporaneamente, simile a una moneta che gira:né testa né croce per la moneta, né una frequenza né l’altra per il qubit. Misurare il valore del qubit determina la probabilità di misurare uno dei due valori possibili, in modo simile a fermare la moneta su testa o croce. Questa dinamica consente una gamma più ampia di possibili valori che potrebbero essere utilizzati per studiare questioni complesse come gli stati di transizione.

I ricercatori sperano che queste possibilità possano guidare una rivoluzione quantistica che veda i computer quantistici superare le macchine classiche in velocità e potenza. Tuttavia, i qubit utilizzati dalle attuali macchine quantistiche tendono a degradarsi facilmente. Questo decadimento causa alti tassi di errore che possono confondere i risultati di qualsiasi modello più grande di un problema di test.

Potter e i suoi colleghi hanno ottenuto il tempo tramite QCUP sul computer Quantinuum, che utilizza ioni intrappolati come qubit. Hanno misurato i circuiti, o porte quantistiche, durante tutta la corsa e hanno utilizzato una tecnica nota come riciclaggio dei qubit per eliminare i qubit degradati.

"Abbiamo utilizzato il processore quantistico per simulare un sistema in cui i qubit attivi hanno la capacità di attivare i qubit vicini o di diventare inattivi", ha affermato Potter. "Monitorando il sistema in tempo reale in ogni fase e testando man mano che procediamo, potremmo rilevare la probabilità che l'esecuzione di un cancello quantistico su un qubit possa influenzare lo stato di un qubit e, in caso contrario, rimuoverlo dal calcolo. Questo In questo modo evitiamo la possibilità che si insinuino errori."

Il team ha stabilito che avrebbero potuto utilizzare il loro approccio su 20 qubit per contenere gli errori e simulare un sistema quantistico quasi quattro volte quella dimensione. Hanno stimato che il loro approccio con 70 qubit potrebbe eguagliare o superare le capacità di un computer classico.

"Questa è la prima volta che questo approccio viene utilizzato per un sistema di queste dimensioni", ha affermato Potter.

I prossimi passi includono l'applicazione del riciclo dei qubit ai problemi quantistici, come la simulazione delle proprietà dei materiali e il calcolo dei loro stati energetici più bassi o degli stati fondamentali quantistici.

L'articolo è pubblicato sulla rivista Nature Physics .