Tutti i computer devono stare in guardia dagli errori, e così anche quelli quantistici. La loro correzione è infatti decisiva per il buon funzionamento della macchina, specie se va a quanti. Nel caso di questi supercomputer, si potrebbe optare per lo sviluppo di qubit atti alla correzione degli errori.
La correzione degli errori prevede la distribuzione di qubit logici a livello hardware, ma ancora oggi è difficile capire come implementarlo al meglio, e soprattutto quanto tempo ci vorrà per attuare questo procedimento di correzione.
Computer e qubit logici, la ricerca di Harvard sull’errore quantistico
Un passo fondamentale verso quel futuro è descritto in un articolo pubblicato oggi su Nature. Un ampio team di ricercatori, principalmente con sede presso l’Università di Harvard, ha ora dimostrato la capacità di eseguire più operazioni su un massimo di 48 qubit logici.
Il lavoro dimostra che il sistema, dotato di un apparato di calcolo quantistico realizzato dalla società QuEra, può identificare correttamente il verificarsi di errori, e questo può migliorare significativamente i risultati dei calcoli.
Algoritmi quantistici complessi possono richiedere ore di mantenimento e manipolazione delle informazioni quantistiche, ed è improbabile che i qubit hardware esistenti raggiungano mai il punto in cui siano in grado di gestirli senza causare errori.
Per questo la soluzione generalmente accettata a questo problema è lavorare invece con qubit logici atti alla correzione di errori.
Ma cosa significa? Sarebbe in pratica provvedere alla distribuzione di singoli qubit tra una raccolta di qubit hardware in modo che, in caso di errore in uno di questi qubit, non avvenga la distruzione completa di queste informazioni. Aggiungendo questi qubit logici a quelli hardware, essi possono ripristinare l’informazione allo stato perso quando si è verificato l’errore.
In teoria, questa correzione degli errori può consentire all’hardware di mantenere gli stati quantistici per un periodo molto più lungo di quello di cui sono capaci i singoli qubit hardware.
Servono però qubit più complessi
Il compromesso è un aumento significativo della complessità e del numero di qubit. Se ogni qubit logico richiede una dozzina di qubit, allora avrai bisogno di molti più qubit hardware per eseguire qualsiasi algoritmo. Per questo il team di Harvard ha utilizzato l’hardware di QuEra, che utilizza atomi neutri.
I qubit ad atomi neutri permettono alle informazioni quantistiche di essere immagazzinate nello spin nucleare dei singoli atomi, relativamente stabile in termini di mantenimento delle informazioni quantistiche.
Ed essendo ogni atomo di un dato isotopo equivalente, non esiste alcuna variazione da dispositivo a dispositivo come avviene nei qubit basati su hardware superconduttore. I singoli atomi possono quindi essere indirizzati con i laser, e quindi spostati, consentendo potenzialmente a qualsiasi qubit di essere collegato a qualsiasi altro.
In termini di hardware reale, ciò significa che QuEra potrebbe potenzialmente alterare l’hardware che contiene gli atomi in memoria senza modificare il sistema utilizzato per la lettura.
I risultati di questo strumento in questo esperimento parlano chiaro. Come riporta Ars Technica, nei casi in cui le misurazioni successive non hanno mostrato alcuna indicazione di errori, la fedeltà dell’inizializzazione ha raggiunto oltre il 99,9%, ben al di sopra del tasso di successo quando vengono inizializzati i singoli qubit hardware (99,3%).
Inoltre, il gruppo di ricerca ha testato vari schemi di correzione degli errori che utilizzavano diversi numeri di qubit. Con l’aumento del numero di qubit hardware nel qubit logico, il tasso di errore complessivo è diminuito.
Ma c’è ancora del lavoro da fare sui computer quantistici
Questa non è una correzione completa degli errori, perché essi vengono corretti solo dopo che il calcolo è stato eseguito. Non è stato quindi dimostrato altro che la correzione del circuito intermedio. Non è quindi una correzione completa degli errori eseguita mentre i calcoli sono in corso.
Inoltre, gli algoritmi utilizzati in questi test non sono utili nel senso che nessun cliente commerciale pagherebbe per eseguirli. Prima che ciò sia possibile, sarà necessario attivare il conteggio dei qubit logici.
Per questo bisognerà aumentare il conteggio dei qubit. Come dimostra questo lavoro, avere più qubit da utilizzare per un qubit logico riduce il tasso di errore. Detto questo, la ricerca afferma che il controllo ottimizzato e la potenza del laser potenziata dovrebbero consentire a questa architettura di raggiungere 10.000 qubit fisici.
E, poiché tutte le operazioni di controllo vengono gestite utilizzando laser, dovrebbe essere possibile utilizzare collegamenti fotonici per collegare componenti hardware separati.
Se vuoi saperne di più su questa ricerca, ti consiglio di approfondire al meglio leggendo l’articolo originale pubblicato su Nature:
- Dolev Bluvstein, Simon J. Evered, Alexandra A. Geim, Sophie H. Li, Hengyun Zhou, Tom Manovitz, Sepehr Ebadi, Madelyn Cain, Marcin Kalinowski, Dominik Hangleiter, J. Pablo Bonilla Ataides, Nishad Maskara, Iris Cong, Xun Gao, Pedro Sales Rodriguez, Thomas Karolyshyn, Giulia Semeghini, Michael J. Gullans, Markus Greiner, Vladan Vuletić & Mikhail D. Lukin, “Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays”, Nature, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06927-3.
