L'Università di Sydney e IBM scoprono una delle principali cause degli errori nei computer quantistici

Una ricerca congiunta dell'Università di Sydney e di IBM ha identificato alcuni dei principali fattori che portano all'insorgere di errori durante i calcoli dei computer quantistici. I ricercatori hanno scoperto un modo per diminuire significativamente il tasso di errore, fatto che porterà a miglioramenti nell'affidabilità dei dispositivi.

Una nuova ricerca mostra dove è possibile migliorare l'affidabilità dei computer quantistici

Il funzionamento dei computer quantistici si basa sulla capacità di mettere dei dispositivi (siano essi circuiti superconduttori, ioni, fotoni, atomi di Rydberg o altro ancora) in uno stato quantistico e di mantenerli in tale stato. La tendenza naturale è però quella d'interagire con l'ambiente circostante, fatto che porta a cambiamenti non voluti nello stato quantistico e, quindi, a errori nei calcoli.

I ricercatori dell'Università di Sydney e di IBM hanno ora annunciato un nuovo studio, pubblicato su Nature Communications, in cui sono riusciti a individuare una delle principali fonti di errore durante i calcoli.

Per controllare che non ci siano errori, nei computer quantistici vengono effettuate delle misurazioni a metà di ciascun circuito (ovvero di ciascuna funzione). In questo modo, alcuni qubit vengono "letti", così che il loro stato quantistico collassi e diventi classico e che sia possibile verificare se si sono verificati errori. Questa procedura, però, ferma i calcoli e tiene il computer in una fase di blocco. Proprio in questa fase, secodo la ricerca, si verifica una parte consistente degli errori.

"Questa procedura si verifica molte, molte volte in ciascun passo del calcolo quantistico. Ciascuna di queste misurazioni a metà circuito richiede tempo e tutto il resto dell'operazione deve rimanere inattivo mentre viene completata la misurazione. È uno degli ostacoli principali", ha affermato il professor Stephen Bartlett del Nano Institute dell'Università di Sydney. "Ma non possiamo aggirare questo passo, è un elemento essenziale della correzione degli errori quantistici. Ciò che abbiamo fatto in questo studio è accertare quantitativamente di quale tipo di prestazioni abbiamo bisogno con questi controlli degli errori. Ciò è vitale per progettare sistemi che possono ingrandirsi e funzionare."

I ricercatori hanno usato un computer quantistico IBM Quantum Eagle r2 con 156 qubit per misurare l'impatto di queste pause per la misurazione dei qubit, e hanno scoperto che ridurne la durata porta a un incremento rilevante nella sopravvivenza dei qubit logici in ciascun ciclo di misurazione: da meno del 90% fino al 96%. I ricercatori hanno altresì confermato che il rumore dovuto alle misurazioni è una delle principali cause di errori nei dispositivi odierni.

"La correzione degli errori quantistici è essenziale per costruire computer quantistici di grandi dimensioni, ma introduce una serie di sfide ingegneristiche molto complesse", ha affermato Robin Harper, del dipartimento di fisica e del Nano Institute dell'Università di Sydney. "Volevamo identificare quali processi fisici limitassero le prestazioni sui dispositivi quantistici odierni. Ciò che abbiamo scoperto è che l'atto di misurare i qubit durante un calcolo può esso stesso creare instabilità. Riprogettando il modo in cui le misurazioni vengono effettuate, siamo in grado di migliorare significativamente l'affidabilità dei qubit logici."

Il risultato di questa ricerca è che sarà possibile ridurre il livello di errore dei computer quantistici, il che ne aumenterà l'affidabilità e dunque, in ultima analisi, la potenza di calcolo. La ricerca evidenzia ancora una volta come ci siano ancora moltissimi elementi da ottimizzare nella progettazione dei computer quantistici e come non sarà il solo aumento dei qubit a portare a un miglioramento nelle loro prestazioni; dall'altro lato, è interessante notare come ogni aspetto di questi dispositivi sia quantistico: in fondo, il risultato ultimo dello studio è proprio ribadire come l'osservazione influenza i sistemi, per quanto in questo caso in maniera inaspettata.