Creato il primo processore quantistico logico

I ricercatori di Harvard hanno realizzato una pietra miliare nella ricerca di un calcolo quantistico stabile e scalabile, una tecnologia ad altissima velocità che consentirà progressi rivoluzionari in una varietà di campi, tra cui medicina, scienza e finanza. Il team, guidato dal dottor Mikhail Lukin (1), professore di fisica e co-direttore della Harvard Quantum Initiative (2), ha creato il primo processore quantistico logico programmabile, in grado di codificare fino a 48 qubit logici ed eseguire centinaia di operazioni di porte logiche, un notevole miglioramento rispetto agli sforzi precedenti.

Pubblicato su Nature (3), il lavoro è stato eseguito in collaborazione con Markus Greiner (4), professore di fisica George Vasmer Leverett; colleghi del MIT; e QuEra Computing (5), una società di Boston fondata sulla tecnologia dei laboratori di Harvard.

Il sistema è la prima dimostrazione dell’esecuzione di algoritmi su larga scala su un computer quantistico con correzione degli errori, annunciando l’avvento del primo calcolo quantistico tollerante agli errori, o affidabile e ininterrotto.

Lukin ha descritto il risultato come un possibile punto di svolta simile agli albori nel campo dell’intelligenza artificiale: le idee di correzione quantistica degli errori e tolleranza agli errori, a lungo teorizzate, stanno iniziando a dare i loro frutti.

«Penso che questo sia uno dei momenti in cui è chiaro che sta arrivando qualcosa di molto speciale», ha detto il professor Mikhail Lukin. «Sebbene ci siano ancora sfide da affrontare, prevediamo che questa nuova innovazione accelererà notevolmente il progresso verso computer quantistici utili e su larga scala».

La dottoressa Denise Caldwell della National Science Foundation, vicedirettrice della direzione delle scienze matematiche e fisiche, che ha supportato la ricerca attraverso i programmi Physics Frontiers Centers e Quantum Leap Challenge Institutes della NSF, è d'accordo e dice: «Questa svolta è un tour de force di ingegneria e progettazione quantistica. Il team non solo ha accelerato lo sviluppo dell’elaborazione delle informazioni quantistiche utilizzando atomi neutri, ma ha aperto una nuova porta all’esplorazione di dispositivi qubit logici su larga scala, che potrebbero consentire vantaggi trasformativi per la scienza e la società nel suo insieme».

È stato un percorso lungo e complesso.

Nell’informatica quantistica, un bit quantistico o “qubit” è un’unità di informazione, proprio come un bit binario nell’informatica classica. Per più di due decenni, fisici e ingegneri hanno mostrato al mondo che, in linea di principio, l’informatica quantistica è possibile manipolando le particelle quantistiche – siano esse atomi, ioni o fotoni – per creare qubit fisici.

Ma sfruttare con successo la stranezza della meccanica quantistica per il calcolo è più complicato che accumulare semplicemente un numero sufficientemente elevato di qubit, che sono intrinsecamente instabili e inclini a collassare dai loro stati quantistici.

Le vere monete del regno sono i cosiddetti qubit logici: fasci di qubit fisici ridondanti e corretti dagli errori, che possono memorizzare informazioni da utilizzare in un algoritmo quantistico. La creazione di qubit logici come unità controllabili – come i bit classici – è stata un ostacolo fondamentale per il settore, ed è generalmente accettato che finché i computer quantistici non potranno funzionare in modo affidabile su qubit logici, la tecnologia non potrà davvero decollare.

Ad oggi, i migliori sistemi informatici hanno dimostrato di avere uno o due qubit logici (6) e un’operazione di gate quantistico, simile a una sola unità di codice (7), tra di loro.

La svolta del team di Harvard si basa su diversi anni di lavoro su un'architettura di calcolo quantistico nota come array di atomi neutri (8), sperimentata per la prima volta nel laboratorio di Lukin. Ora viene commercializzato da QuEra, che ha recentemente stipulato un accordo di licenza con l'Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard per un portafoglio di brevetti basato sulle innovazioni sviluppate dal gruppo di Lukin.

Il componente chiave del sistema è un blocco di atomi di rubidio ultrafreddi e sospesi, in cui gli atomi – i qubit fisici del sistema – possono muoversi ed essere collegati in coppie – o “intrecciati” – durante il calcolo.

Coppie di atomi intrecciati formano porte, che sono unità di potenza di calcolo. In precedenza, il team aveva dimostrato bassi tassi di errore nelle operazioni di entanglement (9), dimostrando l’affidabilità del loro sistema di array di atomi neutri.

Con il loro processore quantistico logico, i ricercatori ora dimostrano il controllo parallelo e multiplex di un intero patch di qubit logici, utilizzando i laser. Questo risultato è più efficiente e scalabile rispetto alla necessità di controllare singoli qubit fisici.

«Stiamo cercando di segnare una transizione nel campo, verso l'inizio di testare algoritmi con qubit corretti dagli errori invece che fisici, e consentendo un percorso verso dispositivi più grandi», ha affermato il primo autore dell'articolo Dolev Bluvstein, della Griffin School of Arts and Sciences. Dottorato di ricerca nel laboratorio di Lukin.

Il team continuerà a lavorare per dimostrare più tipi di operazioni sui propri 48 qubit logici e per configurare il proprio sistema in modo che funzioni continuamente, invece del ciclo manuale come avviene ora.

Il lavoro è stato supportato dalla Defense Advanced Research Projects Agency attraverso il programma di ottimizzazione con dispositivi quantistici a scala intermedia rumorosi; il Center for Ultracold Atoms, il National Science Foundation Physics Frontiers Center; l'Army Research Office; il joint Quantum Institute/NIST; e il QuEra Computing.

Riferimenti:

(1) Mikhail Lukin

(2) Harvard Quantum Initiative

(3) Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays

(4) Markus Greiner

(5) QuEra Computing

(6) Implementing Fault-tolerant Entangling Gates on the Five-qubit Code and the Color Code

(7) Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit

(8) New approach may help clear hurdle to large-scale quantum computing

(9) Self-correcting quantum computers within reach?

Descrizione foto: Un team guidato dall’esperto quantistico Mikhail Lukin (a destra) ha ottenuto una svolta nel campo dell’informatica quantistica. Dolev Bluvstein, un dottorato di ricerca. Studente del laboratorio di Lukin, è stato il primo autore dell’articolo. - Credit: Jon Chase/Harvard Staff Photographer.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers create first logical quantum processor