Qubits Sboccati: L'interruttore "Toggle" del NIST e il Futuro della Computazione Quantistica

Gli scienziati del NIST hanno introdotto un dispositivo "interruttore a levetta" per computer quantistici che regola le connessioni tra i qubit e un risonatore di lettura. Il dispositivo affronta sfide come il rumore e i limiti di riprogrammazione, aprendo la strada a un calcolo quantistico più flessibile e accurato.

Il nuovo dispositivo potrebbe portare a processori quantistici più versatili con output più chiari.

A che serve un computer potente se non riesci a leggerne l'output? O riprogrammarlo prontamente per svolgere diversi lavori? Le persone che progettano computer quantistici affrontano queste sfide e un nuovo dispositivo potrebbe renderle più facili da risolvere.

Introdotto da un team di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), il dispositivo include due bit quantistici superconduttori, o qubit, che sono l'analogo di un computer quantistico ai bit logici nel chip di elaborazione di un computer classico. Il cuore di questa nuova strategia si basa su un dispositivo "interruttore a levetta" che collega i qubit a un circuito chiamato "risonatore di lettura" in grado di leggere l'output dei calcoli dei qubit.

Questo interruttore a levetta può essere spostato in diversi stati per regolare la forza delle connessioni tra i qubit e il risonatore di lettura. Quando disattivato, tutti e tre gli elementi sono isolati l'uno dall'altro. Quando l'interruttore è attivato per connettere i due qubit, possono interagire ed eseguire calcoli. Una volta completati i calcoli, l'interruttore a levetta può collegare uno dei qubit e il risonatore di lettura per recuperare i risultati.

Avere un interruttore a levetta programmabile fa molto per ridurre il rumore, un problema comune nei circuiti dei computer quantistici che rende difficile per i qubit fare calcoli e mostrare chiaramente i loro risultati.

Questa foto mostra l'area di lavoro centrale del dispositivo. Nella sezione inferiore, i tre grandi rettangoli (azzurri) rappresentano i due bit quantici, o qubit, a destra ea sinistra e il risonatore al centro. Nella parte superiore, ingrandita, guidare le microonde attraverso l'antenna (grande rettangolo blu scuro in basso) induce un campo magnetico nel circuito SQUID (quadrato bianco più piccolo al centro, i cui lati sono lunghi circa 20 micrometri). Il campo magnetico attiva l'interruttore a levetta. La frequenza e l'ampiezza delle microonde determinano la posizione dell'interruttore e la forza della connessione tra i qubit e il risonatore. Credito: R. Simmonds / NIST

"L'obiettivo è mantenere i qubit felici in modo che possano calcolare senza distrazioni, pur essendo in grado di leggerli quando vogliamo", ha affermato Ray Simmonds, un fisico del NIST e uno degli autori dell'articolo. "Questa architettura del dispositivo aiuta a proteggere i qubit e promette di migliorare la nostra capacità di effettuare le misurazioni ad alta fedeltà necessarie per costruire processori di informazioni quantistiche a partire dai qubit".

Il team, che comprende anche scienziati dell'Università del Massachusetts Lowell, dell'Università del Colorado Boulder e della Raytheon BBN Technologies, descrive i suoi risultati in un articolo pubblicato di recente sulla rivista Nature Physics.

I computer quantistici, che sono ancora in una fase nascente di sviluppo, sfrutterebbero le bizzarre proprietà della meccanica quantistica per svolgere compiti che anche i nostri computer classici più potenti trovano intrattabili, come aiutare nello sviluppo di nuovi farmaci eseguendo sofisticate simulazioni di interazioni chimiche .

Tuttavia, i progettisti di computer quantistici devono ancora affrontare molti problemi. Uno di questi è che i circuiti quantistici sono disturbati da rumore esterno o addirittura interno, che deriva da difetti nei materiali utilizzati per realizzare i computer. Questo rumore è essenzialmente un comportamento casuale che può creare errori nei calcoli dei qubit.

I qubit odierni sono intrinsecamente rumorosi di per sé, ma non è l'unico problema. Molti progetti di computer quantistici hanno quella che viene chiamata un'architettura statica, in cui ogni qubit nel processore è fisicamente connesso ai suoi vicini e al suo risonatore di lettura. Il cablaggio fabbricato che collega i qubit tra loro e alla loro lettura può esporli a un rumore ancora maggiore.

Tali architetture statiche hanno un altro svantaggio: non possono essere riprogrammate facilmente. I qubit di un'architettura statica potrebbero svolgere alcuni lavori correlati, ma affinché il computer esegua una gamma più ampia di attività, dovrebbe sostituire un design del processore diverso con un'organizzazione o un layout di qubit diversi. (Immagina di cambiare il chip nel tuo laptop ogni volta che devi utilizzare un software diverso, quindi considera che il chip deve essere mantenuto un pizzico sopra lo zero assoluto e capisci perché questo potrebbe rivelarsi scomodo.)

L'interruttore a levetta programmabile del team elude entrambi questi problemi. Innanzitutto, impedisce al rumore del circuito di insinuarsi nel sistema attraverso il risonatore di lettura e impedisce ai qubit di conversare tra loro quando dovrebbero essere silenziosi.

"Questo riduce una fonte chiave di rumore in un computer quantistico", ha detto Simmonds.

In secondo luogo, l'apertura e la chiusura degli interruttori tra gli elementi sono controllate con un treno di impulsi a microonde inviati a distanza, piuttosto che attraverso le connessioni fisiche di un'architettura statica. L'integrazione di più di questi interruttori a levetta potrebbe essere la base di un computer quantistico più facilmente programmabile. Gli impulsi a microonde possono anche impostare l'ordine e la sequenza delle operazioni logiche, il che significa che un chip costruito con molti degli interruttori a levetta del team potrebbe essere istruito per eseguire un numero qualsiasi di attività.

"Questo rende il chip programmabile", ha detto Simmonds. "Piuttosto che avere un'architettura completamente fissa sul chip, puoi apportare modifiche tramite software."

Un ultimo vantaggio è che l'interruttore a levetta può anche attivare la misurazione di entrambi i qubit contemporaneamente. Questa capacità di chiedere a entrambi i qubit di rivelarsi come una coppia è importante per rintracciare gli errori computazionali quantistici.

I qubit in questa dimostrazione, così come l'interruttore a levetta e il circuito di lettura, erano tutti realizzati con componenti superconduttori che conducono l'elettricità senza resistenza e devono funzionare a temperature molto basse. Lo stesso interruttore a levetta è costituito da un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore, o "SQUID", che è molto sensibile ai campi magnetici che passano attraverso il suo circuito. Guidare una corrente a microonde attraverso un loop di antenna nelle vicinanze può indurre interazioni tra i qubit e il risonatore di lettura quando necessario.

A questo punto, il team ha lavorato solo con due qubit e un singolo risonatore di lettura, ma Simmonds ha detto che stanno preparando un progetto con tre qubit e un risonatore di lettura, e hanno in programma di aggiungere anche altri qubit e risonatori. Ulteriori ricerche potrebbero offrire spunti su come mettere insieme molti di questi dispositivi, offrendo potenzialmente un modo per costruire un potente computer quantistico con abbastanza qubit per risolvere i tipi di problemi che, per ora, sono insormontabili.