'Rumore

7 giugno 2023

Nonostante la loro immensa promessa di risolvere nuovi tipi di problemi, i computer quantistici di oggi sono intrinsecamente soggetti a errori. Una piccola perturbazione nell’ambiente circostante – un cambiamento di temperatura, pressione o campo magnetico, per esempio – può distruggere i loro fragili elementi costitutivi computazionali, chiamati qubit.

Ora, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell’Università di Chicago hanno sviluppato un nuovo metodo per monitorare costantemente il rumore attorno a un sistema quantistico e regolare i qubit, in tempo reale, per ridurre al minimo gli errori.

L’approccio, descritto online su Science, si basa sui qubit degli spettatori: un insieme di qubit incorporati nel computer con l’unico scopo di misurare il rumore esterno piuttosto che archiviare dati. Le informazioni raccolte da tali qubit spettatori possono quindi essere utilizzate per cancellare il rumore nei qubit vitali per l’elaborazione dei dati.

Assist. Il professor Hannes Bernien, che ha guidato la ricerca, paragona il nuovo sistema alle cuffie con cancellazione del rumore, che monitorano continuamente i rumori circostanti ed emettono frequenze opposte per cancellarli.

"Con questo approccio, possiamo migliorare in modo molto efficace la qualità dei qubit di dati", ha affermato Bernien. "Lo considero molto importante nel contesto dell'informatica quantistica e della simulazione quantistica."

Man mano che i computer quantistici esistenti vengono potenziati, la sfida del rumore e degli errori è aumentata. Il problema è duplice: i qubit cambiano facilmente in risposta al loro ambiente, il che può alterare le informazioni archiviate al loro interno e portare ad alti tassi di errore. Inoltre, se uno scienziato misura un qubit, per cercare di valutare il rumore a cui è stato esposto, lo stato del qubit collassa, perdendo i suoi dati.

"È un compito molto arduo e arduo cercare di correggere gli errori all'interno di un sistema quantistico", ha affermato Bernien.

I fisici teorici avevano precedentemente proposto una soluzione utilizzando i qubit spettatori, un insieme di qubit che non memorizzano i dati necessari ma potrebbero essere incorporati in un computer quantistico. I qubit degli spettatori traccerebbero i cambiamenti nell’ambiente, agendo come il microfono contenuto nelle cuffie con cancellazione del rumore. Un microfono, ovviamente, rileva solo le onde sonore mentre i qubit spettatori proposti risponderebbero a qualsiasi perturbazione ambientale in grado di alterare i qubit.

Il gruppo di Bernien si è proposto di dimostrare che questo concetto teorico potrebbe essere utilizzato per cancellare il rumore in un array quantistico di atomi neutri, il loro computer quantistico preferito.

In un processore quantistico ad atomo neutro, gli atomi sono sospesi sul posto utilizzando raggi laser chiamati pinzette ottiche, che Bernien ha contribuito a sviluppare, guadagnandosi riconoscimenti come il New Horizons in Physics Prize 2023 della Breakthrough Prize Foundation. In grandi schiere di questi atomi sospesi, ciascuno agisce come un qubit, in grado di archiviare ed elaborare informazioni nel suo stato di sovrapposizione.

Nel 2022, Bernien e colleghi hanno segnalato per la prima volta la capacità di realizzare un processore quantistico atomico ibrido contenente atomi sia di rubidio che di cesio. Ora, hanno adattato quel processore in modo che gli atomi di rubidio fungano da qubit di dati mentre gli atomi di cesio siano qubit spettatori. Il team ha progettato un sistema per leggere continuamente i dati in tempo reale dagli atomi di rubidio e, in risposta, modificare gli atomi di cesio con oscillazioni a microonde.

La sfida, ha detto Bernien, era garantire che il sistema fosse abbastanza veloce: qualsiasi aggiustamento agli atomi di rubidio doveva essere quasi istantaneo.

"La cosa veramente interessante è che non solo riduce al minimo il rumore per i qubit di dati, ma è un esempio di effettiva interazione con un sistema quantistico in tempo reale", ha affermato Bernien.

Per testare il loro approccio di minimizzazione degli errori, il gruppo di Bernien ha esposto la matrice quantistica al rumore del campo magnetico. Hanno dimostrato che gli atomi di cesio captavano correttamente questo rumore e il loro sistema lo cancellava poi negli atomi di rubidio in tempo reale.

Tuttavia, il gruppo di ricerca afferma che il prototipo iniziale è solo un punto di partenza. Vorrebbero provare ad aumentare la quantità di rumore e a variare i tipi di perturbazioni e verificare se l'approccio regge.