Ricercatori trovano un modo per migliorare le prestazioni dei computer quantistici

I ricercatori della ‘University of Southern California’ (USC), hanno dimostrato una metodologia teorica per migliorare le prestazioni dei computer quantistici; si tratta di un passo avanti importante per rendere scalabile una tecnologia che ha il potenziale per risolvere alcune delle maggiori sfide dell’umanità intera.

Il metodo risolve un punto debole che peggiora le prestazioni dei computer quantistici, riuscendo ad eliminare calcoli errati e aumentando la fedeltà dei risultati. Si tratta di un passaggio fondamentale prima che le prestazioni dei computer quantistici possano superare le prestazioni dei computer classici. Il metodo è chiamato “disaccoppiamento dinamico” (dynamic decoupling), ed ha funzionato su due computer quantistici, dimostrandosi più semplice e affidabile di altri rimedi e potrebbe essere reso disponibile, per la prima volta, tramite il cloud.

La tecnica utilizza raffiche di piccoli impulsi energetici che vengono concentrati per compensare i disturbi ambientali che perturbano l’attività di calcolo dei computer quantistici. I ricercatori hanno affermato di essere stati in grado di mantenere uno stato quantistico fino a tre volte più a lungo di quanto non si verifichi senza l’utilizzo di questa tecnica.

“Questo è un importante passo avanti”, ha affermato Daniel Lidar, professore di ingegneria elettrica, chimica e fisica presso la USC e direttore dell’USC Center for Quantum Information Science (CQIST). “Senza la soppressione degli errori, non esiste la possibilità che la computazione quantistico possa superare la computazione classica”

I risultati sono stati pubblicati lo scorso 29 novembre (2018) sulla rivista Physical Review Letters. Lidar è professore alla Viterbi School of Engineering presso la USC ed è l’autore di riferimento dello studio; ha guidato un team di ricercatori presso il CQIST, che è frutto della collaborazione tra la USC Viterbi School of Engineering e la USC Dornsife School of Letters, Arts and Sciences. IBM e Rigetti Computing hanno fornito l’accesso ai loro computer quantistici per questa attività di ricerca.

I computer quantistici hanno il potenziale per rendere obsoleti i supercomputer di oggi e consentire importanti innovazioni in campo medico, nel mondo finanziario e nel settore della difesa. Il calcolo quantistico ha il potenziale per ottimizzare nuove terapie farmacologiche, per costruire nuovi modelli per il cambiamento climatico e consentire la progettazione di nuove macchine. Si potrebbero ottenere consegne più rapida dei prodotti, costi più bassi per i manufatti e un trasporto più efficiente.

Gli elementi fondamentali di un computer quantistico sono i qubit, che però sono inclini agli errori, e pertanto hanno bisogno di particolari condizioni di stabilità per riuscire ad eseguire la computazione. Quando non funzionano correttamente, producono risultati scadenti, il che limita le loro capacità rispetto ai computer tradizionali. Gli scienziati di tutto il mondo non hanno ancora raggiunto il ‘quantum advantage’, ovvero il punto in cui un computer quantistico supera in prestazioni un supercomputer convenzionale.

Il problema è appunto il “rumore”, un termine con cui intendiamo genericamente una serie di perturbazioni ambientali (suono, temperatura, vibrazioni, interferenze elettromagnetiche, etc.). Questo può destabilizzare i qubit, creando un fenomeno detto “decoerenza”, una perturbazione che interrompe la durata dello stato quantistico, riducendo il tempo in cui il computer può eseguire una computazione ottenendo risultati accurati.

“Il rumore e la decoerenza hanno un grande impatto e finiscono per distruggere la computazione. Un computer quantistico con troppo rumore è totalmente inutile”, ha spiegato Lidar. “Ma se riesci ad abbattere i problemi associati al rumore, allora inizi ad avvicinarti al punto in cui i computer quantistici diventano più utili dei computer classici.”

L’USC è l’unica università al mondo con un computer quantistico; il suo ‘quantum annealer’ da 1098 qubit della D-Wave è specializzato nella risoluzione dei problemi di ottimizzazione. Parte dell’USC-Lockheed Martin Center per il Quantum Computing, si trova presso l’USC’s Information Sciences Institute. Gli ultimi risultati della ricerca non sono stati raggiunti sulla macchina D-Wave, ma su computer quantistici di uso generale: l’IBM 16-qubit QX5 e il Rigetti da 19-qubit Acorn.

Per ottenere il disaccoppiamento dinamico (DD – dynamical decoupling ), i ricercatori hanno inondato i qubit superconduttori con impulsi temporizzati e focalizzati (gli impulsi avevano un’energia molto piccola). Manipolando gli impulsi, gli scienziati sono stati in grado di proteggere i qubit in un microambiente disaccoppiato dal rumore esterno circostante, consentendo così il prolungamento del tempo di coerenza.

Fedeltà media in funzione del numero di impulsi

Fedeltà media in funzione del numero di impulsi

“Abbiamo provato un semplice meccanismo per ridurre l’errore nei computer quantistici, che si è dimostrato efficace”, ha dichiarato Bibek Pokharel, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica presso l’USC Viterbi e primo autore dello studio.

Le sequenze temporali per gli esperimenti sono state estremamente piccole con un massimo di 200 impulsi che si estendevano fino a 600 nanosecondi. Un miliardesimo di secondo, o un nanosecondo, è pari al tempo impiegato dalla luce a percorrere circa 30 centimetri.

Secondo lo studio, per i computer quantistici IBM, la fedeltà finale è migliorata di tre volte, dal 28,9% all’88,4%. Per il computer quantistico Rigetti, il miglioramento finale della fedeltà è stato di un più modesto 17%, da 59.8 a 77.1. Gli scienziati hanno testato per quanto tempo il miglioramento della fedeltà poteva essere sostenuto ed hanno scoperto che per il computer di Rigetti, inviare più impulsi contribuiva a migliorare i risultati sempre di più, mentre c’era un limite di circa 100 impulsi per il computer IBM.

Nel complesso, ha detto Lidar, i risultati mostrano che il metodo del dynamical decoupling, funziona meglio di altri metodi di correzione degli errori quantistici che sono stati tentati finora. “Per quanto a nostra conoscenza”, scrivono i ricercatori, “ciò equivale alla prima dimostrazione inequivocabile di una mitigazione efficace della decoerenza dei qubit superconduttori che sono disponibili mediante piattaforme nel cloud … ci aspettiamo che le lezioni imparate abbiano un’ampia applicabilità.”

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