Gli scienziati di tutto il mondo lavorano duramente per eliminare il rumore dai sistemi quantistici, che potrebbe disturbare il funzionamento dei potenti computer quantistici di domani. I ricercatori del Niels Bohr Institute (NBI) hanno trovato un modo per utilizzare il rumore per elaborare le informazioni quantistiche. Ciò aumenta le prestazioni dell'unità di calcolo quantistico, il qubit.
Una collaborazione internazionale guidata da scienziati del Niels Bohr Institute (NBI), Università di Copenaghen, ha dimostrato un approccio alternativo. Il loro metodo consente di utilizzare il rumore per elaborare informazioni quantistiche. Di conseguenza, le prestazioni dell'unità di informazione fondamentale del calcolo quantistico, il qubit, sono aumentate del 700%.
Questi risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
"Evitare il rumore nei sistemi quantistici si è rivelato difficile, dal momento che quasi ogni cambiamento nell'ambiente può rovinare le cose. Ad esempio, il tuo sistema potrebbe funzionare con un dato campo magnetico o elettrico, e se quel campo cambia anche solo leggermente gli effetti quantistici crollano.
"Suggeriamo un approccio completamente diverso. Invece di eliminare il rumore, utilizziamo la sorveglianza continua del rumore in tempo reale e adattiamo il sistema man mano che si verificano cambiamenti nell'ambiente", afferma Ph.D. Ricercatore presso NBI Fabrizio Berritta, autore principale dello studio.
Il nuovo approccio è possibile grazie ai recenti sviluppi in diversi settori high-tech.
"In precedenza, diciamo 20 anni fa, sarebbe stato possibile visualizzare le fluttuazioni dopo l'esperimento, ma sarebbe stato troppo lento utilizzare queste informazioni durante l'esperimento vero e proprio. Usiamo la tecnologia FPGA [field-programmable-gate-array] per ottenere le misurazioni in tempo reale. Inoltre, utilizziamo l'apprendimento automatico per accelerare l'analisi," spiega Berritta.
"L'idea è quella di ottenere le misurazioni ed eseguire l'analisi nello stesso microprocessore che regola il sistema in tempo reale. Altrimenti, lo schema non sarebbe abbastanza veloce per le applicazioni di calcolo quantistico."
Nell'informatica attuale, l'unità base dell'informazione trasferibile, conosciuta come bit, è legata alla carica degli elettroni. Può avere solo uno di due valori, uno o zero:o ci sono elettroni oppure no. La corrispondente unità di calcolo quantistico, nota come qubit, sarà in grado di assumere più di due valori.
La quantità di informazioni contenute per qubit aumenterà in modo esponenziale con il numero di proprietà quantistiche che si è in grado di controllare, forse dando vita un giorno a computer incredibilmente più potenti dei computer convenzionali.
Una pietra angolare della meccanica quantistica è che le particelle elementari non abbiano solo massa e carica, ma anche uno spin. Un altro termine chiave è entanglement. Qui, due o più particelle interagiscono in modo tale che lo stato quantistico di una singola particella non può essere descritto indipendentemente dallo stato delle altre.
Il protocollo alla base delle nuove scoperte integra un qubit di spin singoletto-tripletto implementato in un doppio punto quantico di arseniuro di gallio con controller qubit alimentati da FPGA. Il qubit coinvolge due elettroni, con gli stati di entrambi gli elettroni entangled.
Sforzo del team interdisciplinare
Proprio come gli altri qubit spin, il qubit singoletto-tripletto è vulnerabile anche a piccoli disturbi nel loro ambiente. I fisici usano il termine "rumore", che non dovrebbe essere preso alla lettera come rumore acustico. In relazione ai sistemi quantistici, disturbi come fluttuazioni del campo elettrico o magnetico possono rovinare lo stato quantistico di interesse.
Per dimostrare l'uso benefico delle fluttuazioni ambientali, i ricercatori hanno scelto questo qubit perché il suo accoppiamento sia al rumore magnetico che al rumore elettrico è ben compreso da una serie di studi precedenti presso l'NBI, guidati dal professor Ferdinand Kuemmeth, a capo di un gruppo di ricerca su semiconduttori e superconduttori. dispositivi quantistici all'NBI.
Il nuovo studio ha riunito gruppi di ricerca presso NBI, Purdue University, Norwegian University of Science and Technology, le aziende QDevil (Copenhagen) e Quantum Machines (Tel Aviv) in una vasta gamma di campi come materiali qubit, fabbricazione di qubit, hardware di controllo qubit, teoria dell'informazione quantistica e apprendimento automatico.
"Questa collaborazione dimostra che lo sviluppo di computer quantistici non è più un'attività che può essere guidata da singoli gruppi di fisici. Togliessimo uno qualsiasi dei nostri partner e questo lavoro non sarebbe stato possibile", afferma Kuemmeth.
I ricercatori vedono il nuovo protocollo come una pietra miliare verso lo sviluppo dei computer quantistici, ma sono anche consapevoli che molti altri traguardi devono essere raggiunti.
"Il prossimo passo per noi sarà applicare il nostro protocollo a sistemi di materiali diversi e con più di un qubit", afferma Berritta. "Non posso dire quando vedremo il primo computer quantistico veramente utile. Forse tra 10 anni.
"In ogni caso, crediamo di aver trovato un approccio promettente. Molti colleghi si concentrano sull'eliminazione del rumore per sviluppare qubit migliori, ad esempio migliorando la qualità dei materiali utilizzati per fabbricare i qubit. Abbiamo dimostrato che in determinati casi condizioni che è possibile regolare attivamente per parte del rumore. Ciò potrebbe essere rilevante per altri tipi di qubit oltre a quello del nostro studio."
Ulteriori informazioni: Fabrizio Berritta et al, Controllo a due assi in tempo reale di uno spin qubit, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45857-0
Fornito da Niels Bohr Institute
