Alcuni computer classici hanno la correzione degli errori incorporata nelle loro memorie basate su bit; computer quantistici avranno bisogno anche di meccanismi di correzione degli errori, basati sui qubit molto più sensibili per poter funzionare in futuro.
Attrezzatura elettronica di misura – foto illustrativa. Credito immagine: John Barkiple tramite Unsplash, licenza gratuita
I ricercatori della Cornell hanno recentemente compiuto un passo verso il calcolo quantistico tollerante ai guasti: hanno costruito un modello semplice contenente particelle esotiche chiamate anioni non abeliani, abbastanza compatto e pratico da funzionare su hardware quantistico moderno. Realizzare queste particelle, che possono esistere solo in due dimensioni, è un passo verso l’implementazione nel mondo reale.
Grazie a un po’ di pensiero creativo, Yuri Lensky, un ex borsista post-dottorato in fisica del Bethe/Wilkins/Kavli Institute at Cornell (KIC) presso il College of Arts and Sciences (A&S), collaborando con Eun-Ah Kimprofessore di fisica (A&S), ha escogitato una semplice “ricetta” che potrebbe essere utilizzata per un calcolo affidabile con anioni non abeliani, comprese istruzioni specifiche per eseguire l’effetto sperimentalmente sui dispositivi oggi disponibili.
Il loro giornale “Teoria del calibro grafico degli anioni mobili non abeliani in un codice stabilizzatore qubit,” scritto in collaborazione con i teorici di Google Quantum AI, è stato pubblicato negli Annals of Physics.
I ricercatori di Google Quantum AI e Lensky e Kim hanno dimostrato la teoria con un esperimento di successo, come riportato in una pubblicazione di prestampa, “Osservazione delle statistiche di scambio non abeliane su un processore superconduttore,” sulla piattaforma di condivisione della ricerca arXiv.
“Questo stato bidimensionale è interessante sia dal punto di vista della fisica quantistica della materia condensata – ha alcune nuove proprietà che sono molto speciali per la fisica 2D – sia dal punto di vista dell’informazione quantistica”, ha detto Lensky.
“È qualcosa di veramente quantistico, ma è anche potenzialmente utile per il calcolo quantistico. Protegge bit di informazioni quantistiche memorizzandoli non localmente e il nostro protocollo ci consente di calcolare con questi bit.
Kim ha spiegato il principio che anima gli anyon non abeliani tendendo due bilancieri identici da una libbra. Quando incrocia le braccia, i bilancieri identici cambiano posizione, ma in quanto oggetti definiti dalla fisica classica, il loro stato rimane lo stesso. Sono intercambiabili.
Se quei bilancieri rappresentano due particelle quantistiche identiche, notevolmente in alcuni sistemi 2D i loro percorsi attraverso lo spazio-tempo possono produrre una registrazione misurabile del cambiamento (immagina le braccia incrociate). Questo processo di scambio è chiamato treccia, dopo le forme della particella sentieri.
“Quantum meccanicamente, quando muovi una particella attorno all’altra”, ha detto Kim, tenendo fermo un peso e spostando l’altro in un cerchio attorno ad esso, “la funzione d’onda, che è una soluzione all’equazione di Schrödinger che descrive il moto quantomeccanico, può essere moltiplicato per un fattore di fase o può diventare qualcosa di molto diverso.”
Quando la funzione d’onda acquisisce un segno globale che può essere osservato solo attraverso l’interferometria, una misura dell’interferenza delle onde, si chiama anione abeliano. Quando la funzione d’onda diventa misurabilmente diversa, è un anyon non abeliano, ha detto.
Gli anioni non abeliani potrebbero essere sfruttati per creare qubit definiti non su una singola particella, ma su una coppia di particelle quantistiche identiche: codificate in modo non locale.
“Se metto il qubit condiviso tra queste particelle in uno stato zero e le allontano, qualunque cosa accada localmente a uno di questi anoni, lo stato zero rimarrà. Il qubit impostato su zero è al sicuro dalla corruzione”, ha affermato Kim. “Gli anyon non abeliani potrebbero essere utilizzati in una piattaforma per qubit protetti”.
Ma mentre i fisici hanno teorizzato per anni su queste particelle esotiche – Alexei Kitaev ha proposto di operare su bit protetti di memoria quantistica intrecciando anioni non abeliani intorno al 2001, ha detto Lensky – non sono mai state osservate in un sistema fisico prima d’ora.
Quando Google Quantum AI ha sviluppato le capacità della piattaforma del processore quantistico per realizzare il codice di superficie e l’intrecciatura degli anioni abeliani in un sistema fisico, Lensky ha detto: “Questo è stato [our] ispirazione per cercare un modo per realizzare la fisica degli anioni non abeliani il prima possibile.
“Sapevamo che avevano gli ingredienti funzionanti, ma non avevano una ricetta”, ha detto Kim. “Abbiamo capito come muovere questi anioni non abeliani, poi abbiamo detto agli sperimentatori cosa fare. È stato possibile perché io e Yuri pensavamo in modo flessibile, creativo e di mentalità aperta”.
La ricerca teorica passata ha identificato proprietà non abeliane, ma non è riuscita a capire come spostarle, un passo necessario. Un’intuizione chiave di Lensky e Kim è stata quella di rinunciare alla regolarità di una griglia e disporre i qubit in un modo quasi disegnato a mano, ma supportato da una solida matematica.
“Dopo questa semplice intuizione geometrica, utilizzando la teoria del calibro, siamo stati in grado di elaborare il protocollo per scattare questa immagine e implementarla su un chip in modo robusto ed efficiente”, ha affermato Kim. “Con questo sistema a 10 qubit, siamo stati in grado di codificare più anyons non abeliani, e quindi più qubit logici che trasportano informazioni, e una ricetta precisa per ciò che gli sperimentalisti devono fare in ogni fase del processo”.
“Sebbene l’obiettivo della teoria e dell’esperimento sia semplicemente quello di realizzare anioni non abeliani nel mondo reale, questo può anche essere visto come un primo piccolo passo verso l’implementazione del calcolo mediante intreccio”, ha detto Lensky.
Fonte: Università Cornell
Da un’altra testata giornalistica news de www.europeantimes.news
