Hardware rivoluzionario svela un nuovo modello di calcolo quantistico

15 agosto 2023

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a cura del Los Alamos National Laboratory

Un approccio teorico potenzialmente rivoluzionario all'hardware di calcolo quantistico evita gran parte della complessità problematica riscontrata nei computer quantistici attuali. La strategia implementa un algoritmo in base a interazioni quantistiche naturali per elaborare una varietà di problemi del mondo reale più velocemente rispetto ai computer classici o ai computer quantistici basati su porte convenzionali. . . . .

'La nostra scoperta elimina molti requisiti impegnativi per l'hardware quantistico', ha detto Nikolai Sinitsyn, fisico teorico presso il Los Alamos National Laboratory. È coautore di un articolo sull'approccio nella rivista Physical Review A. 'I sistemi naturali, come le rotazioni elettroniche dei difetti nel diamante, hanno esattamente il tipo di interazioni necessarie per il nostro processo di calcolo'.

Sinitsyn ha detto che il team spera di collaborare con fisici sperimentali anche a Los Alamos per dimostrare il loro approccio utilizzando atomi ultracold. Le tecnologie moderne negli atomi ultracold sono sufficientemente avanzate per dimostrare tali calcoli con circa 40-60 qubit, ha detto, il che è sufficiente per risolvere molti problemi attualmente non accessibili tramite il calcolo classico o binario. Un qubit è l'unità fondamentale delle informazioni quantistiche, analogo a un bit nel familiare calcolo classico.

Invece di creare un complesso sistema di porte logiche tra un certo numero di qubit che devono condividere tutti l'entanglement quantistico, la nuova strategia utilizza un semplice campo magnetico per ruotare i qubit, come i raggi delle particelle, in un sistema naturale. L'evoluzione precisa degli stati di spin è tutto ciò che serve per implementare l'algoritmo. Sinitsyn ha detto che l'approccio potrebbe essere utilizzato per risolvere molti problemi pratici proposti per i computer quantistici.

La computazione quantistica è ancora un campo in fase iniziale ostacolato dalla difficoltà di collegare i qubit in lunghe sequenze di porte logiche e mantenere l'entanglement quantistico necessario per la computazione. L'entanglement si rompe in un processo noto come decoerenza, poiché i qubit intrecciati iniziano a interagire con il mondo esterno al sistema quantistico del computer, introducendo errori. Questo avviene rapidamente, limitando il tempo di calcolo. La correzione degli errori reali non è ancora stata implementata sull'hardware quantistico.

Il nuovo approccio si basa sull'entanglement naturale anziché sull'entanglement indotto, quindi richiede meno collegamenti tra i qubit. Ciò riduce l'impatto della decoerenza. Pertanto, i qubit hanno una vita relativamente lunga, ha detto Sinitsyn.

Nel saggio teorico del team di Los Alamos si è dimostrato come l'approccio potrebbe risolvere un problema di partizione dei numeri mediante l'utilizzo dell'algoritmo di Grover più velocemente rispetto ai computer quantistici esistenti. Come uno degli algoritmi quantistici più noti, consente ricerche non strutturate di grandi set di dati che richiedono immense risorse di calcolo convenzionali.

Ad esempio, ha detto Sinitsyn, l'algoritmo di Grover può essere utilizzato per distribuire uniformemente il tempo di esecuzione per i compiti tra due computer, in modo che finiscano contemporaneamente, insieme ad altre attività pratiche. L'algoritmo è particolarmente adatto per computer quantistici ideali con correzione degli errori, anche se è difficile da implementare sulle macchine odierni inclini agli errori.

I computer quantistici sono progettati per eseguire calcoli molto più velocemente di qualsiasi dispositivo classico, ma finora è stato estremamente difficile realizzarli, ha detto Sinitsyn. Un computer quantistico convenzionale implementa circuiti quantistici, sequenze di operazioni elementari con diverse coppie di qubit.

I teorici di Los Alamos hanno proposto un'alternativa intrigante.

'Abbiamo notato che per molti famosi problemi computazionali è sufficiente avere un sistema quantistico con interazioni elementari, in cui solo un singolo spin quantistico - realizzabile con due qubit - interagisce con il resto dei qubit computazionali', ha detto Sinitsyn. 'Poi un singolo impulso magnetico che agisce solo sullo spin centrale implementa la parte più complessa dell'algoritmo quantistico di Grover.' Chiamato l'oracolo di Grover, questa operazione quantistica indica la soluzione desiderata.

'Non sono necessarie interazioni dirette tra i qubit computazionali e interazioni dipendenti dal tempo con lo spin centrale nel processo', ha detto. Una volta impostati gli accoppiamenti statici tra lo spin centrale e i qubit, l'intero calcolo consiste solo nell'applicare semplici impulsi di campo esterno dipendenti dal tempo che ruotano gli spin, ha detto.

Importantly, the team proved that such operations can be made fast. The team also discovered that their approach is topologically protected. That is, it is robust against many errors in the precision of the control fields and other physical parameters even without quantum error correction.

Journal information: Physical Review A

Provided by Los Alamos National Laboratory