La corsa allo sviluppo dei computer quantistici si è davvero accesa negli ultimi anni. I sistemi all'avanguardia possono ora eseguire semplici algoritmi utilizzando dozzine di qubit, o bit quantistici, che sono gli elementi costitutivi dei computer quantistici.
Gran parte di questo successo è stato ottenuto con i cosiddetti computer quantistici basati su gate. Questi computer utilizzano componenti fisici, in particolare circuiti superconduttori, per ospitare e controllare i qubit. Questo approccio è abbastanza simile ai computer classici convenzionali basati su dispositivi. Le due architetture informatiche sono quindi relativamente compatibili e potrebbero essere utilizzate insieme. Inoltre, i futuri computer quantistici potrebbero essere fabbricati sfruttando le tecnologie utilizzate per fabbricare i computer convenzionali.
Ma il gruppo di ricerca sul calcolo quantistico ottico presso il Centro RIKEN per il calcolo quantistico ha adottato un approccio molto diverso. Invece di ottimizzare i computer quantistici basati su gate, Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa e il team leader Akira Furusawa hanno sviluppato un calcolo quantistico basato su misurazioni.
I computer quantistici basati sulla misurazione elaborano le informazioni in uno stato quantistico complesso noto come stato cluster, che consiste di tre (o più) qubit collegati insieme da un fenomeno non classico chiamato entanglement. L'entanglement si verifica quando le proprietà di due o più particelle quantistiche rimangono collegate, anche se separate da grandi distanze.
I computer quantistici basati sulla misurazione funzionano effettuando una misurazione sul primo qubit nello stato del cluster. Il risultato di questa misurazione determina quale misurazione eseguire sul secondo qubit entangled, un processo chiamato feedforward. Questo determina quindi come misurare il terzo. In questo modo, qualsiasi porta o circuito quantistico può essere implementato attraverso la scelta opportuna della serie di misurazioni.
Gli schemi basati sulle misurazioni sono molto efficienti se utilizzati su computer quantistici ottici, poiché è facile intrappolare un gran numero di stati quantistici in un sistema ottico. Ciò rende un computer quantistico basato su misurazioni potenzialmente più scalabile di un computer quantistico basato su gate. Per quest’ultimo, i qubit devono essere fabbricati con precisione, ottimizzati per l’uniformità e collegati fisicamente tra loro. Questi problemi vengono risolti automaticamente utilizzando un computer quantistico ottico basato su misurazioni.
È importante sottolineare che il calcolo quantistico basato sulla misurazione offre programmabilità nei sistemi ottici. "Possiamo modificare l'operazione semplicemente modificando la misurazione", afferma Sakaguchi. "Questo è molto più semplice che cambiare l'hardware, come richiedono i sistemi basati su gate nei sistemi ottici."
Ma il feedforward è essenziale. "Il feedforward è una metodologia di controllo in cui forniamo i risultati della misurazione a una parte diversa del sistema come forma di controllo", spiega Sakaguchi. "Nel calcolo quantistico basato sulla misurazione, il feedforward viene utilizzato per compensare la casualità intrinseca nelle misurazioni quantistiche. Senza operazioni di feedforward, il calcolo quantistico basato sulla misurazione diventa probabilistico, mentre il calcolo quantistico pratico dovrà essere deterministico."
Il team di ricerca sull'informatica quantistica ottica e i suoi collaboratori, provenienti dall'Università di Tokyo, dall'Università Palacký nella Repubblica Ceca, dall'Università Nazionale Australiana e dall'Università del Nuovo Galles del Sud, in Australia, hanno ora dimostrato una forma più avanzata di feedforward:non lineare feedforward. Per implementare l’intera gamma di porte potenziali nei computer quantistici basati sull’ottica è necessario un feedforward non lineare. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
"Abbiamo ora dimostrato sperimentalmente la misurazione della quadratura non lineare utilizzando una nuova tecnologia feedforward non lineare", spiega Sakaguchi. "Questo tipo di misurazione aveva precedentemente rappresentato un ostacolo alla realizzazione di operazioni quantistiche universali nel calcolo quantistico basato su misurazioni ottiche."
Computer ottici
I computer quantistici ottici utilizzano qubit costituiti da pacchetti d’onda di luce. Presso altre istituzioni, alcuni membri dell’attuale team RIKEN avevano precedentemente costruito i grandi stati dei cluster ottici necessari per il calcolo quantistico basato su misurazioni. Il feedforward lineare è stato ottenuto anche per costruire semplici operazioni di gate, ma i gate più avanzati necessitano di feedforward non lineare.
Nel 2016 è stata proposta una teoria per l'implementazione pratica della misurazione della quadratura non lineare. Ma questo approccio presentava due importanti difficoltà pratiche:generare uno stato ancillare speciale (che il team ha ottenuto nel 2021) ed eseguire un'operazione di feedforward non lineare.
Il team ha superato quest'ultima sfida con ottica complessa, materiali elettro-ottici speciali ed elettronica ultraveloce. Per fare questo hanno sfruttato le memorie digitali, in cui le funzioni non lineari desiderate erano precalcolate e registrate nella memoria. "Dopo la misurazione, abbiamo trasformato il segnale ottico in elettrico", spiega Sakaguchi. "Nel feedforward lineare, amplifichiamo o attenuiamo semplicemente il segnale, ma per il feedforward non lineare dovevamo eseguire un'elaborazione molto più complessa."
I principali vantaggi di questa tecnica di feedforward non lineare sono la sua velocità e flessibilità. Il processo deve essere sufficientemente veloce da consentire la sincronizzazione dell'output con lo stato quantico ottico.
"Ora che abbiamo dimostrato che possiamo eseguire un feedforward non lineare, vogliamo applicarlo al calcolo quantistico basato su misurazioni effettive e alla correzione degli errori quantistici utilizzando il nostro sistema sviluppato in precedenza", afferma Sakaguchi. "E speriamo di essere in grado di aumentare la velocità del nostro feedforward non lineare per il calcolo quantistico ottico ad alta velocità."
"Ma il messaggio chiave è che, sebbene gli approcci basati su circuiti superconduttori possano essere più popolari, i sistemi ottici sono un candidato promettente per l'hardware dei computer quantistici", aggiunge.
Ulteriori informazioni: Atsushi Sakaguchi et al, Feedforward non lineare che consente il calcolo quantistico, Comunicazioni naturali (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39195-w
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito da RIKEN
