Computazione quantistica: ancora fragile per essere senza errori

Ricostruzione virtuale di 7 qubit

In una stretta collaborazione, i fisici spagnoli e austriaci hanno sperimentalmente codificato un bit quantistico (qubit) distribuito su diverse particelle e per la prima volta effettuato calcoli semplici su di esso. Il registro quantistico 7-qubit potrebbe essere utilizzato come elemento principale per un computer quantistico che corregge qualsiasi tipo di errore. 

Anche i computer sono soggetti a errori. I disturbi più lievi possono modificare le informazioni salvate e falsificare i risultati dei calcoli. Per superare questi problemi, i computer utilizzano specifiche routine per rilevare continuamente e correggere gli errori. Questo vale anche per un futuro computer quantistico, che richiederà procedure per la correzione degli errori ." Fenomeni quantistici sono estremamente fragili e soggette a errori- spiega Thomas Monz, membro di Rainer Blatt di gruppo di ricerca presso l'Istituto di Fisica Sperimentale presso l'Università di Innsbruck-   gli errori possono diffondersi rapidamente e disturbare  gravemente  il computer ".

Insieme a Markus Müller e Miguel Angel Martin-Delgado del Dipartimento di Fisica Teorica presso l'Università Complutense di Madrid, i fisici a Innsbruck  hanno sviluppato un nuovo metodo di correzione degli errori quantistici e testati sperimentalmente.                                           "Un quantum è estremamente complesso e non può essere copiato semplicemente. Inoltre, gli errori nel mondo quantistico microscopico sono più molteplici -sottolinea Monz-  e difficili da correggere rispetto ai computer tradizionali. Per rilevare e correggere gli errori generali in un computer quantistico, abbiamo bisogno cosiddetti codici di correzione degli errori quantistici altamente sofisticati." Il codice topologico utilizzato per questo esperimento in corso è stato proposto dal gruppo di ricerca di Martin-Delgado a Madrid. Esso dispone le qubit su un reticolo bidimensionale, dove possono interagire con le particelle confinanti.

Un po ' di quantum codificato in sette ioni

Per l'esperimento presso l'Università di Innsbruck i fisici si sono limitati  a sette atomi di calcio in una trappola ionica, che permette loro di raffreddare questi atomi a temperature quasi zero assoluto e li controllano proprio con raggi laser. I ricercatori hanno codificato gli stati quantici fragili di un qubit logici in stati  diversi di queste particelle. Il codice di correzione di errore quantistico disponibile il programma per questo processo." La codifica logica  del qubit  -racconta Daniel Nigg, membro del gruppo di ricerca di Rainer Blatt -   nei sette qubit fisici è stata una vera sfida sperimentale".                                                                                                            I fisici hanno raggiunto questo in tre fasi, in cui in ogni sequenza complessa e, passaggi di impulsi laser sono stati utilizzati per creare interconnessioni  tra quattro qubit vicini. "Per la prima volta siamo stati in grado di codificare un singolo bit quantistico distribuendo le sue informazioni in sette atomi in modo controllato, -dice un emozionato Markus Müller-, che nel 2011 si trasferì da Innsbruck presso l'Università Complutense di Madrid.Quando abbiamo intrappolato gli atomi in questo modo specifico, forniscono informazioni sufficienti per la successiva correzione degli errori e possibili calcoli."

Operazioni senza errori

In un altro passaggio i fisici hanno testato la capacità del codice di rilevare e correggere diversi tipi di errori. "Abbiamo dimostrato che in questo tipo di sistema quantistico  -dice Daniel Nigg -  siamo in grado di rilevare in modo indipendente e correggere ogni errore possibile per ogni particella. Per fare questo abbiamo bisogno solo -spiega il collega di Daniel Nigg Esteban Martinez-  di informazioni sulle correlazioni tra le particelle e non devono effettuare misure delle singole particelle". Oltre a rilevare in modo affidabile errori singoli, i fisici erano in grado   per la prima volta di applicare operazioni singole o ripetitive su un qubit codificato logico. Una volta che l'ostacolo del processo di codifica complesso è superato, solo semplici operazioni logiche su singolo qubit sono necessari per ogni manovra del cancello. "Con questo codice quantistico possiamo implementare operazioni quantistiche di base e contemporaneamente correggere tutti i possibili errori, -spiega Thomas Monz- e questa è una pietra miliare fondamentale sulla strada verso un computer affidabile e a tolleranza di default quantistico.

Base per le innovazioni future

Questo nuovo approccio sviluppato dai fisici spagnoli e austriaci costituisce la base promettente per future innovazioni. "Questo sistema 7-ioni richiesto per la codifica di un bit quantistico logico -dice il fisico teorico Müller - può essere utilizzato come blocco di costruzione per sistemi quantistici molto più grandi". "Più grande è il reticolo, più robusto diventa. Il risultato potrebbe essere un computer quantico che potrebbe eseguire qualsiasi numero di operazioni senza essere ostacolati da errori.L'esperimento attuale non solo apre nuove rotte per le innovazioni tecnologiche. "Ecco, vengono domande  completamente nuove  , per esempio, -dice Rainer Blatt con una vista verso il futuro- che i metodi possono essere usati in primo luogo per caratterizzare in tal modo grandi bit quantistici logici . Inoltre, vorremmo anche sviluppare in modo collaborativo -aggiunge Martin-Delgado-   i codici quantistici usati ulteriormente per ottimizzare la loro adattabilità  ad ancora più ampie operazioni".

I ricercatori sono  stati sostenuti finanziariamente dal Ministero della Scienza, Fondo austriaco della scienza, il governo degli Stati Uniti, la Commissione europea e la Federazione delle industrie austriache Tirolo spagnolo.