Un team di ricercatori dell’Institute of Science Tokyo, in Giappone, ha sviluppato una nuova classe di codici di correzione degli errori quantistici altamente efficienti e scalabili, capaci di avvicinarsi al limite teorico noto come hashing bound. Questi codici potrebbero permettere ai computer quantistici di gestire centinaia di migliaia di qubit, aprendo la strada a calcoli pratici in campi come la chimica quantistica e l’ottimizzazione.
La sfida della scalabilità dei computer quantistici
Negli ultimi anni, i computer quantistici hanno raggiunto livelli di decine di qubit, ma molte applicazioni pratiche richiedono milioni di qubit logici. La scalabilità è ostacolata da errori intrinseci che aumentano con il numero di qubit e dalle difficoltà ingegneristiche legate alla stabilità dei dispositivi, ai tempi di coerenza brevi, agli errori nelle operazioni di gate, ai limiti di interazione tra qubit e alle sfide di integrazione su larga scala e raffreddamento.
Anche eliminando idealmente queste limitazioni, i codici di correzione degli errori quantistici tradizionali presentano problemi come bassi tassi di codifica, error floors che limitano l’affidabilità e costose operazioni di post-processing. Finora nessun codice quantistico era in grado di sfruttare appieno i vantaggi dei sistemi su larga scala.
O almeno fino ad oggi. I ricercatori giapponesi, guidati dal Professor Kenta Kasai e dallo studente Daiki Kawamoto, hanno sviluppato novi codici LDPC quantistici capaci di avvicinarsi all’hashing bound pur mantenendo un’elevata efficienza. Questi codici, progettati per centinaia di migliaia di qubit logici, presentano un tasso di codifica superiore al 50% (il che riduce lo spreco di risorse) e una complessità di decodifica proporzionale al numero di qubit fisici.
Prestazioni elevate e applicazioni pratiche
La costruzione parte dai protograph LDPC codes, migliorata tramite permutazioni affini che aumentano la diversità strutturale ed evitano cicli brevi. Definiti su campi finiti non binari, questi codici trasportano più informazioni rispetto ai tradizionali, e sono poi trasformati in codici della famiglia Calderbank-Shor-Steane, noti per la correzione degli errori quantistici.
Grazie a un nuovo metodo di decodifica basato sull’algoritmo sum-product, i codici affrontano simultaneamente errori di tipo bit-flip (X) e phase-flip (Z), correggendo ogni errore nello stato quantistico. Simulazioni su larga scala hanno mostrato un tasso di errore di frame di appena 10^-4, avvicinandosi al limite teorico e confermando la scalabilità dei codici.
Kasai sottolinea che questa tecnologia può permettere ai computer quantistici di crescere fino a milioni di qubit logici, migliorando affidabilità, prestazioni e applicabilità in campi complessi, aprendo la strada a nuovi sviluppi nella ricerca e nella tecnologia quantistica.
