Nuovo paradigma dell'informatica quantistica: gioco

Di Los Alamos National Laboratory, 26 agosto 2023

La strategia del calcolo quantistico utilizza un semplice campo magnetico per ruotare i qubit, come gli spin degli elettroni, in un sistema quantistico naturale.

L'uso delle interazioni quantistiche naturali consente calcoli più rapidi e robusti per l'algoritmo di Grover e molti altri.

Los Alamos National Laboratory scientists have developed a groundbreaking quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> approccio al calcolo quantistico utilizzando le interazioni quantistiche naturali. Questo metodo promette qubit di lunga durata, un'efficiente risoluzione dei problemi con l'algoritmo di Grover e una significativa resilienza agli errori.

Un approccio teorico potenzialmente rivoluzionario all’hardware del calcolo quantistico elude gran parte della complessità problematica riscontrata negli attuali computer quantistici. La strategia implementa un algoritmo nelle interazioni quantistiche naturali per elaborare una varietà di problemi del mondo reale più velocemente di quanto possano fare i computer classici o i computer quantistici convenzionali basati su gate.

“La nostra scoperta elimina molti requisiti impegnativi per l’hardware quantistico”, ha affermato Nikolai Sinitsyn, fisico teorico del Los Alamos National Laboratory. È coautore di un articolo sull’approccio, pubblicato il 14 agosto sulla rivista Physical Review A. “I sistemi naturali, come gli spin elettronici dei difetti nel diamante, hanno esattamente il tipo di interazioni necessarie per il nostro processo di calcolo”.

Sinitsyn ha detto che il team spera di collaborare con i fisici sperimentali anche a Los Alamos per dimostrare il loro approccio utilizzando atomi ultrafreddi. Le moderne tecnologie negli atomi ultrafreddi sono sufficientemente avanzate per dimostrare tali calcoli con circa 40-60 qubit, ha detto, il che è sufficiente per risolvere molti problemi attualmente non accessibili con il calcolo classico, o binario. Un qubit è l'unità base dell'informazione quantistica, analoga a un bit nell'informatica classica.

Invece di creare un complesso sistema di porte logiche tra un numero di qubit che devono tutti condividere l’entanglement quantistico, la nuova strategia utilizza un semplice campo magnetico per ruotare i qubit, come gli spin degli elettroni, in un sistema naturale. L'evoluzione precisa degli stati di spin è tutto ciò che serve per implementare l'algoritmo. Sinitsyn ha affermato che l’approccio potrebbe essere utilizzato per risolvere molti problemi pratici proposti per i computer quantistici.

L’informatica quantistica rimane un campo nascente ostacolato dalla difficoltà di collegare i qubit in lunghe stringhe di porte logiche e di mantenere l’entanglement quantistico richiesto per il calcolo. L’entanglement si interrompe in un processo noto come decoerenza, poiché i qubit entangled iniziano a interagire con il mondo esterno al sistema quantistico del computer, introducendo errori. Ciò avviene rapidamente, limitando il tempo di calcolo. La vera correzione degli errori non è stata ancora implementata sull’hardware quantistico.

Il nuovo approccio si basa sull’entanglement naturale piuttosto che su quello indotto, quindi richiede meno connessioni tra i qubit. Ciò riduce l’impatto della decoerenza. Pertanto, i qubit vivono relativamente a lungo, ha detto Sinitsyn.

L'articolo teorico del team di Los Alamos ha mostrato come l'approccio potrebbe risolvere un problema di partizionamento dei numeri utilizzando l'algoritmo di Grover più velocemente dei computer quantistici esistenti. Essendo uno degli algoritmi quantistici più conosciuti, consente ricerche non strutturate di grandi set di dati che divorano le risorse informatiche convenzionali. Ad esempio, ha affermato Sinitsyn, l'algoritmo di Grover può essere utilizzato per dividere equamente il tempo di esecuzione delle attività tra due computer, in modo che finiscano nello stesso momento, insieme ad altri lavori pratici. L'algoritmo è particolarmente adatto ai computer quantistici idealizzati e con correzione degli errori, sebbene sia difficile da implementare sulle macchine odierne soggette a errori.

I computer quantistici sono costruiti per eseguire calcoli molto più velocemente di quanto possa fare qualsiasi dispositivo classico, ma finora è stato estremamente difficile realizzarli, ha detto Sinitsyn. Un computer quantistico convenzionale implementa circuiti quantistici: sequenze di operazioni elementari con diverse coppie di qubit.