Questo progresso avvicina la correzione degli errori quantistici alla realtà.
In futuro, computer quantistici potrebbe essere in grado di risolvere problemi che sono troppo complessi per i supercomputer più potenti di oggi. Per realizzare questa promessa, le versioni quantistiche dei codici di correzione degli errori devono essere in grado di tenere conto errori di calcolo più velocemente di quanto si verifichino.
Hardware di rete in fibra ottica, dati quantistici – foto associativa. Credito immagine: Kirill Sh tramite Unsplash, licenza gratuita
Tuttavia, i computer quantistici di oggi non sono ancora abbastanza robusti per realizzare tale correzione degli errori su scale commercialmente rilevanti.
Nel tentativo di superare questo ostacolo, i ricercatori del MIT hanno dimostrato una nuova architettura di qubit superconduttori in grado di eseguire operazioni tra qubit – gli elementi costitutivi di un computer quantistico – con una precisione molto maggiore di quella che gli scienziati erano stati in grado di ottenere in precedenza.
Utilizzano un tipo relativamente nuovo di qubit superconduttore, noto come fluxonium, che può avere una durata di vita molto più lunga rispetto ai qubit superconduttori più comunemente usati.
La loro architettura prevede uno speciale elemento di accoppiamento tra due qubit di fluxonio che consente loro di eseguire operazioni logiche, note come porte, in modo estremamente accurato. Sopprime un tipo di interazione di fondo indesiderata che può introdurre errori nelle operazioni quantistiche.
Questo approccio ha consentito porte a due qubit che superavano il 99,9% di precisione e porte a singolo qubit con una precisione del 99,99%. Inoltre, i ricercatori hanno implementato questa architettura su un chip utilizzando un processo di fabbricazione estensibile.
“La costruzione di un computer quantistico su larga scala inizia con qubit e porte robusti. Abbiamo mostrato un sistema a due qubit altamente promettente e ne abbiamo illustrato i numerosi vantaggi in termini di scalabilità. Il nostro prossimo passo è aumentare il numero di qubit”, afferma Leon Ding PhD ’23, studente laureato in fisica nel gruppo Engineering Quantum Systems (EQuS) ed autore principale di uno studio carta su questa architettura.
Ding ha scritto l’articolo con Max Hays, un postdoc EQuS; Dottorato di ricerca Youngkyu Sung ’22; Bharath Kannan PhD ’22, che ora è CEO di Atlantic Quantum; Kyle Serniak, scienziato e caposquadra del MIT Lincoln Laboratory; e l’autore senior William D. Oliver, professore di ingegneria elettrica, informatica e fisica di Henry Ellis Warren, direttore del Centro di ingegneria quantistica, leader di EQuS e direttore associato del Laboratorio di ricerca di elettronica; così come altri al MIT e al MIT Lincoln Laboratory.
La ricerca appare in Revisione fisica X.
Assemblaggio del computer quantistico – foto illustrativa. Credito immagine: Graham Carlow per IBM Research via FlickrCC BY-ND 2.0
Una nuova versione del qubit del fluxonium
In un computer classico, le porte sono operazioni logiche eseguite sui bit (una serie di 1 e 0) che consentono il calcolo. Le porte nell’informatica quantistica possono essere pensate allo stesso modo: una porta a singolo qubit è un’operazione logica su un qubit, mentre una porta a due qubit è un’operazione che dipende dagli stati di due qubit collegati.
Fidelity misura la precisione delle operazioni quantistiche eseguite su queste porte. I gate con la massima fedeltà possibile sono essenziali perché gli errori quantistici si accumulano in modo esponenziale. Con miliardi di operazioni quantistiche che si verificano in un sistema su larga scala, una quantità apparentemente piccola di errore può rapidamente causare il fallimento dell’intero sistema.
In pratica, si utilizzerebbero codici di correzione degli errori per ottenere tassi di errore così bassi. Esiste tuttavia una “soglia di fedeltà” che le operazioni devono superare per implementare questi codici. Inoltre, spingere la fedeltà ben oltre questa soglia riduce il sovraccarico necessario per implementare i codici di correzione degli errori.
Per più di un decennio, i ricercatori hanno utilizzato principalmente qubit transmon nei loro sforzi per costruire computer quantistici. Un altro tipo di qubit superconduttore, noto come qubit di fluxonium, ha avuto origine più recentemente. È stato dimostrato che i qubit di fluxonium hanno una durata di vita, o tempi di coerenza, più lunga rispetto ai qubit di transmon.
Il tempo di coerenza è una misura di quanto tempo un qubit può eseguire operazioni o eseguire algoritmi prima che tutte le informazioni nel qubit vengano perse.
“Più a lungo vive un qubit, maggiore sarà la fedeltà delle operazioni che tende a promuovere. Questi due numeri sono legati insieme. Ma non è chiaro, anche quando i qubit di fluxonio stessi funzionano abbastanza bene, se si possono eseguire buoni gate su di essi”, dice Ding.
Per la prima volta, Ding e i suoi collaboratori hanno trovato il modo di utilizzare questi qubit di lunga durata in un’architettura in grado di supportare porte estremamente robuste e ad alta fedeltà. Nella loro architettura, i qubit di fluxonium erano in grado di raggiungere tempi di coerenza superiori a un millisecondo, circa 10 volte più lunghi dei tradizionali qubit transmon.
“Negli ultimi due anni, ci sono state diverse dimostrazioni in cui il fluxonio ha superato i transmoni a livello di singolo qubit”, afferma Hays. «Il nostro lavoro dimostra che questo aumento delle prestazioni può essere esteso anche alle interazioni tra qubit».
I qubit di fluxonio sono stati sviluppati in una stretta collaborazione con il MIT Lincoln Laboratory, (MIT-LL), che ha esperienza nella progettazione e fabbricazione di tecnologie di qubit superconduttori estensibili.
“Questo esperimento è stato esemplare di quello che chiamiamo ‘modello a squadra singola’: la stretta collaborazione tra il gruppo EQuS e il team dei qubit superconduttori del MIT-LL”, afferma Serniak.
“Vale la pena evidenziare qui in particolare il contributo del team di fabbricazione del MIT-LL: hanno sviluppato la capacità di costruire array densi di oltre 100 giunzioni Josephson specifiche per fluxonium e altri nuovi circuiti qubit.”
Una connessione più forte
La loro nuova architettura prevede un circuito che ha due qubit di fluxonium su ciascuna estremità, con un accoppiatore transmon sintonizzabile al centro per unirli insieme. Questa architettura fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) consente un accoppiamento più forte rispetto ai metodi che collegano direttamente due qubit di fluxonium.
FTF riduce inoltre al minimo le interazioni indesiderate che si verificano in background durante le operazioni quantistiche. In genere, accoppiamenti più forti tra qubit possono portare a una maggiore quantità di questo rumore di fondo persistente, noto come interazioni ZZ statiche. Ma l’architettura FTF risolve questo problema.
La capacità di sopprimere queste interazioni indesiderate e i tempi di coerenza più lunghi dei qubit di fluxonium sono due fattori che hanno permesso ai ricercatori di dimostrare una fedeltà del gate a singolo qubit del 99,99% e una fedeltà del gate a due qubit del 99,9%.
Queste fedeltà di gate sono ben al di sopra della soglia necessaria per alcuni comuni codici di correzione degli errori e dovrebbero consentire il rilevamento degli errori in sistemi su larga scala.
“La correzione degli errori quantistici aumenta la resilienza del sistema attraverso la ridondanza. Aggiungendo più qubit, possiamo migliorare le prestazioni complessive del sistema, a condizione che i qubit siano individualmente “abbastanza buoni”. Pensa di provare a svolgere un compito con una stanza piena di bambini dell’asilo. C’è un sacco di caos e l’aggiunta di più asili nido non migliorerà le cose”, spiega Oliver.
“Tuttavia, il fatto che diversi studenti laureati maturi lavorino insieme porta a prestazioni che superano qualsiasi individuo: questo è il concetto di soglia. Anche se c’è ancora molto da fare per costruire un computer quantistico estensibile, si inizia con operazioni quantistiche di alta qualità ben al di sopra della soglia”.
Basandosi su questi risultati, Ding, Sung, Kannan, Oliver e altri hanno recentemente fondato una startup di calcolo quantistico, Quanto Atlantico. L’azienda cerca di utilizzare i qubit di fluxonio per costruire un computer quantistico utilizzabile per applicazioni commerciali e industriali.
“Questi risultati sono immediatamente applicabili e potrebbero cambiare lo stato dell’intero campo. Ciò dimostra alla comunità che esiste un percorso alternativo da seguire. Crediamo fermamente che questa architettura, o qualcosa di simile che utilizza qubit di fluxonio, sia molto promettente in termini di costruzione effettiva di un computer quantistico utile e tollerante ai guasti”, afferma Kannan.
Anche se probabilmente ci vorranno ancora 10 anni per realizzare un computer di questo tipo, questa ricerca rappresenta un passo importante nella giusta direzione, aggiunge. Successivamente, i ricercatori intendono dimostrare i vantaggi dell’architettura FTF nei sistemi con più di due qubit collegati.
“Questo lavoro apre la strada a una nuova architettura per l’accoppiamento di due qubit di fluxonio. La fedeltà del gate ottenuta non è solo la migliore mai registrata per il fluxonio, ma è anche alla pari con quella dei transmoni, il qubit attualmente dominante. Ancora più importante, l’architettura offre anche un elevato grado di flessibilità nella selezione dei parametri, una caratteristica essenziale per scalare fino a un processore di fluxonio multi-qubit”, afferma Chunqing Deng, capo del team quantistico sperimentale presso il Laboratorio Quantistico della DAMO Academy, Alibaba istituto di ricerca globale, che non è stato coinvolto in questo lavoro.
“Per quelli di noi che credono che il fluxonium sia un qubit fondamentalmente migliore del transmon, questo lavoro rappresenta una pietra miliare entusiasmante e affermativa. Ciò stimolerà non solo lo sviluppo di processori di fluxonium ma anche più in generale quello di qubit alternativi ai transmoni”.
Scritto da Adam Zewe
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
