Harvard presenta il primo processore quantistico logico al mondo.

I ricercatori di Harvard hanno raggiunto un traguardo significativo nella computazione quantistica sviluppando un processore quantistico logico programmabile in grado di codificare 48 qubit logici e di eseguire centinaia di operazioni logiche. Questo progresso, accolto come un potenziale punto di svolta nel campo, è la prima dimostrazione di esecuzione di algoritmi su larga scala su un computer quantistico corretto degli errori.

La svolta di Harvard nella computazione quantistica presenta un nuovo processore quantistico logico con 48 qubit logici, consentendo l'esecuzione di algoritmi su larga scala su un sistema corretto degli errori. Questo sviluppo, guidato da Mikhail Lukin, rappresenta un grande passo avanti verso computer quantistici pratici e tolleranti agli errori.

Nella computazione quantistica, un bit quantistico o "qubit" è una unità di informazione, proprio come un bit binario nella computazione classica. Per oltre due decenni, fisici ed ingegneri hanno dimostrato al mondo che la computazione quantistica è, in linea di principio, possibile manipolando particelle quantistiche - siano esse atomi, ioni o fotoni - per creare qubit fisici.

Tuttavia, sfruttare con successo l'insolito comportamento della meccanica quantistica per la computazione è più complicato che semplicemente accumulare un numero sufficientemente grande di qubit fisici, che sono intrinsecamente instabili e inclini a collassare dai loro stati quantistici.

Le vere monete del reame nella computazione quantistica utile sono i cosiddetti qubit logici: gruppi di qubit fisici ridondanti e corretti degli errori, che possono memorizzare informazioni da utilizzare in un algoritmo quantistico. Creare qubit logici come unità controllabili - come i bit classici - è stato un ostacolo fondamentale per il campo, ed è generalmente accettato che fino a quando i computer quantistici non possono funzionare in modo affidabile su qubit logici, le tecnologie non possono davvero decollare. Fino ad oggi, i migliori sistemi di calcolo hanno dimostrato uno o due qubit logici e una sola operazione di porta quantistica - simile a una singola unità di codice - tra di essi.

Un team guidato dall'esperto di fisica quantistica Mikhail Lukin (a destra) ha raggiunto una svolta nella computazione quantistica. Dolev Bluvstein, uno studente di dottorato nel laboratorio di Lukin, è stato il primo autore del paper. Crediti: Jon Chase / Fotografo dello staff di Harvard

Un team di Harvard guidato da Mikhail Lukin, il professore universitario Joshua e Beth Friedman di fisica e co-direttore dell'Harvard Quantum Initiative, ha raggiunto una pietra miliare nel perseguimento di una computazione quantistica stabile e scalabile. Per la prima volta, il team ha creato un processore quantistico logico programmabile, in grado di codificare fino a 48 qubit logici e di eseguire centinaia di operazioni logiche. Il loro sistema è la prima dimostrazione di esecuzione di algoritmi su larga scala su un computer quantistico corretto degli errori, annunciando l'avvento della computazione quantistica affidabile o interrotta senza problemi.

Pubblicato su Nature, il lavoro è stato svolto in collaborazione con Markus Greiner, il professore di fisica George Vasmer Leverett; colleghi dal MIT; e QuEra Computing, con sede a Boston, un'azienda fondata su tecnologia proveniente dai laboratori di Harvard. L'Ufficio dello Sviluppo Tecnologico di Harvard ha recentemente stipulato un accordo di licenza con QuEra per un portafoglio di brevetti basato su innovazioni sviluppate nel gruppo di Lukin.

Lukin ha descritto il risultato come un possibile punto di svolta simile ai primi giorni nel campo dell'intelligenza artificiale: l'idea della correzione degli errori quantistici e della tolleranza agli errori, a lungo teorizzata, sta cominciando a dar frutti.

"Penso che questo sia uno dei momenti in cui è evidente che sta arrivando qualcosa di molto speciale", ha detto Lukin. "Sebbene ci siano ancora delle sfide, ci aspettiamo che questo nuovo progresso accelererà notevolmente il progresso verso computer quantistici utili su vasta scala."

La svolta si basa su diversi anni di lavoro su un'architettura di calcolo quantistico nota come array di atomi neutri, sviluppata inizialmente nel laboratorio di Lukin e attualmente commercializzata da QuEra. I componenti chiave del sistema sono un blocco di atomi di rubidio sospesi, ultra freddi, in cui gli atomi - i qubit fisici del sistema - possono muoversi e connettersi a coppie - o "intrappolati" - durante il processo di calcolo. Le coppie di atomi intrappolati formano le porte, che sono unità di potenza di calcolo. In precedenza, il team aveva dimostrato bassi tassi di errore nelle loro operazioni di intrappolamento, provando la affidabilità del loro sistema ad array di atomi neutri.

"Questa svolta è un tour de force nel campo dell'ingegneria e del design quantistico", ha detto Denise Caldwell, assistente direttore dell'Ufficio delle Scienze Matematiche e Fisiche della National Science Foundation, che ha supportato la ricerca attraverso i programmi Physics Frontiers Centers e Quantum Leap Challenge Institutes dell'NSF. "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 vasta scala, che potrebbero consentire benefici trasformativi per la scienza e la società nel complesso."

With their logical quantum processor, the researchers now demonstrate parallel, multiplexed control of an entire patch of logical qubits, using lasers. This result is more efficient and scalable than having to control individual physical qubits.

“We are trying to mark a transition in the field, toward starting to test algorithms with error-corrected qubits instead of physical ones, and enabling a path toward larger devices,” said paper first author Dolev Bluvstein, a Griffin School of Arts and Sciences Ph.D. student in Lukin’s lab.

The team will continue to work toward demonstrating more types of operations on their 48 logical qubits, and to configure their system to run continuously, as opposed to manual cycling as it does now.