Un nuovo protocollo per dimostrare in modo affidabile l'avvantaggio computazionale quantistico

30 agosto 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I computer quantistici, dispositivi che eseguono calcoli sfruttando i fenomeni meccanici quantistici, hanno il potenziale di superare i computer classici in alcune applicazioni e problemi di ottimizzazione. Negli ultimi anni, i team di ricerca sia presso le istituzioni accademiche che presso le aziende IT hanno cercato di realizzare questa prevista migliore performance per problemi specifici, noti in generale come 'vantaggio quantistico'. 

Per dimostrare affidabilmente che un computer quantistico funziona meglio di un computer classico, occorre, tra le altre cose, raccogliere misurazioni precise all'interno del computer e confrontarle con quelle raccolte nei computer classici. Tuttavia, ciò può essere a volte difficile a causa della natura diversa di questi due tipi di dispositivi.

Ricercatori di NIST/University of Maryland, UC Berkeley, Caltech e altri istituti negli Stati Uniti hanno recentemente introdotto e testato un nuovo protocollo in grado di contribuire a convalidare in modo affidabile il vantaggio dei computer quantistici. Questo protocollo, presentato in Nature Physics, si basa sulle misurazioni durante il circuito e su una tecnica crittografica.

'L'ispirazione ultima di questa ricerca, a mio parere, è la questione se i vantaggi computazionali forniti dai computer quantistici possano essere convalidati in modo efficiente', ha detto a Phys.org Daiwei Zhu, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. 'In altre parole, se i computer quantistici diventano più potenti di qualsiasi simulazione classica, come possiamo convalidare il loro output tramite controinterrogatori?

'Questa è una sfida affrontata probabilmente da tutte le dimostrazioni attuali del vantaggio quantistico. Recentemente, sono stati trovati dei progressi che rispondono a questa domanda utilizzando l'idea di prova interattiva crittografica.'

Le prove interattive crittografiche sono essenzialmente protocolli interattivi attraverso i quali un computer classico può convalidare un computer quantistico molto più potente mediante una serie di domande e istruzioni. I protocolli utilizzati da Zhu e dai suoi colleghi sono stati presentati per la prima volta in studi precedenti di ricercatori di UC Berkeley (pubblicato in Nature Physics) e Caltech (pubblicato in Journal of the ACM). Nel loro recente studio, il team di Zhu ha realizzato una dimostrazione di principio di questi protocolli, utilizzando un computer quantistico a trappola ionica.

'Abbiamo organizzato i qubit in diversi segmenti in base alle loro funzioni (in quale fase devono essere letti) durante il calcolo interattivo', ha spiegato Zhu. 'In ogni fase di lettura, abbiamo separato i segmenti target dal resto dei qubit e li abbiamo spostati per effettuare la lettura. In questo modo, le informazioni di coerenza/quantum conservate negli altri segmenti sono preservate per il resto del calcolo.'

La procedura seguita da Zhu e dal suo collega ha generato letture dei segmenti target (cioè dei qubit che erano interessati ad analizzare). Questi segmenti sono stati quindi verificati in modo interattivo rispetto ai calcoli quantistici effettuati per convalidare il vantaggio quantistico.

'Da un lato, abbiamo integrato con successo le misurazioni durante il circuito in circuiti quantistici arbitrari con un'elevata fedeltà complessiva utilizzando lunghe catene di ioni', ha detto Zhu. 'Questo potrebbe essere applicato a molti altri algoritmi interattivi. D'altro canto, la nostra dimostrazione, se adeguatamente ridimensionata a sistemi più grandi, promette la verifica efficiente del vantaggio computazionale quantistico.'

I nuovi protocolli introdotti e valutati da questo gruppo di ricercatori presentano vantaggi notevoli rispetto ad altri metodi esistenti per testare il vantaggio quantistico. Ad esempio, rispetto all'algoritmo di Shor, che è anch'esso verificabile in modo efficiente, il loro protocollo può essere implementato con un ordine di grandezza inferiore di operazioni di porte quantistiche.

In futuro, il nuovo protocollo interattivo potrebbe essere implementato e valutato in altri esperimenti. Inoltre, Zhu e i suoi colleghi sperano di sviluppare ulteriori protocolli interattivi per valutare altri aspetti e dimensioni della computazione quantistica.

'Dal punto di vista teorico, siamo interessati ad applicare i protocolli interattivi ad altre attività come la generazione di numeri casuali certificabili, la preparazione dello stato remoto e la convalida di calcoli quantistici arbitrari', ha aggiunto Zhu. 'Dal punto di vista sperimentale, utilizzando la capacità di misurazione durante il circuito, siamo entusiasti di esplorare nuovi fenomeni, come le transizioni di fase dell'entanglement, oltre alla dimostrazione di protocolli di feedback coerenti, compresa la correzione degli errori quantistici.'

Journal information: Nature Physics

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