I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo metodo per eseguire operazioni quantistiche che riduce significativamente i tassi di errore nei computer quantistici ad atomi neutri. Sfruttando un fenomeno fisico noto come fase geometrica, questo nuovo approccio crea porte di scambio molto più stabili rispetto ai metodi tradizionali, avvicinando la tecnologia all’utilità pratica su larga scala.
I risultati, pubblicati l’8 aprile sulla rivista Nature, affrontano uno dei colli di bottiglia più persistenti nell’informatica quantistica: l’estrema suscettibilità dei qubit agli errori causati dal rumore ambientale e dalle imperfezioni hardware.
Il problema: fragilità di fronte al rumore
I computer quantistici traggono la loro potenza dai qubit, che possono esistere in una sovrapposizione di stati (sia 0 che 1 contemporaneamente). Per eseguire calcoli, questi sistemi utilizzano porte logiche per manipolare i qubit. Un componente critico è lo swap gate, che scambia gli stati di due qubit, consentendo l’instradamento delle informazioni attraverso il processore.
Tuttavia, gli attuali metodi per creare porte di scambio nei sistemi ad atomi neutri sono altamente sensibili. Questi sistemi utilizzano tipicamente i laser per sospendere gli atomi neutri (come il potassio) sul posto, formando un reticolo ottico. Gli swap gate tradizionali si basano su:
* Stati elettronici altamente eccitati.
* Collisioni atomiche.
* L’effetto tunnel quantistico.
Queste tecniche dipendono fortemente dalla tempistica precisa e dall’intensità dei laser. Anche le fluttuazioni microscopiche nella potenza o nella temporizzazione del laser possono introdurre errori, causando il guasto del cancello. Questa sensibilità contribuisce all’elevato tasso di errore degli attuali bit quantistici, circa 1 su 1.000, rispetto al tasso di errore di 1 su mille miliardi dei bit di silicio convenzionali. Questa discrepanza impedisce ai computer quantistici di crescere fino a superare i supercomputer classici.
La soluzione: geometria al di sopra del tempo
Il team dell’ETH di Zurigo, guidato dal ricercatore post-dottorato Yann Hendrick Kiefer, ha aggirato queste vulnerabilità utilizzando la fase geometrica.
A differenza dei cancelli “dinamici” convenzionali, che dipendono dal controllo esatto dei livelli di energia, dei tempi e dell’intensità del laser, i cancelli geometrici si basano sul percorso che il sistema quantistico segue attraverso il suo spazio degli stati.
“La manipolazione di questa funzione d’onda introduce generalmente una fase sulla funzione d’onda, che può essere di origine dinamica o geometrica”, spiega Kiefer. “L’approccio geometrico funziona in modo diverso: invece di dipendere dal momento esatto o dalla forza, dipende principalmente dal percorso complessivo che il sistema segue dall’inizio alla fine.”
In questa configurazione, decine di migliaia di atomi di potassio vengono raffreddati quasi allo zero assoluto e tenuti in posizione da raggi laser che si intersecano. Quando due atomi vengono avvicinati abbastanza da consentire la sovrapposizione delle loro onde quantistiche, il loro stato combinato cambia esclusivamente in base alla geometria del loro movimento. Poiché questo cambiamento è indipendente dalla velocità con cui si muovono gli atomi o dall’intensità dei laser, l’operazione è naturalmente resistente al rumore sperimentale.
Precisione e scalabilità da record
Le implicazioni pratiche di questo metodo sono significative. Il gruppo di ricerca ha dimostrato uno swap gate con i seguenti parametri di prestazione:
* Precisione: Migliore del 99,91%.
* Velocità: Funziona in meno di un millisecondo.
* Scala: applicata con successo su 17.000 coppie di qubit contemporaneamente.
Sebbene i sistemi superconduttori o con ioni intrappolati possano raggiungere velocità di gate più elevate (sotto il microsecondo), in genere funzionano solo su una manciata di coppie di qubit alla volta. Il metodo dell’ETH di Zurigo offre una combinazione unica di alta fedeltà e parallelismo massiccio, essenziale per costruire processori quantistici su larga scala.
Implicazioni per il futuro dell’informatica quantistica
Lo studio ha inoltre confermato la creazione di porte “half-swap”, che sono vitali per l’esecuzione di algoritmi quantistici complessi. A differenza di uno scambio completo, che sposta semplicemente le informazioni, uno scambio parziale scambia parzialmente gli stati creando un entanglement —la correlazione unica tra qubit che conferisce ai computer quantistici la loro potenza di elaborazione esponenziale.
Questo progresso mette in discussione le ipotesi precedenti sulle risorse necessarie per l’informatica quantistica pratica. Storicamente, si credeva che sarebbero stati necessari milioni di qubit per eseguire algoritmi come l’algoritmo di Shor, che può fattorizzare grandi numeri e infrangere la crittografia moderna. Tuttavia, studi recenti suggeriscono che con gate ad alta fedeltà come quelli sviluppati dall’ETH di Zurigo, tali problemi potrebbero essere potenzialmente risolti con soli 10.000 qubit.
Conclusione
Mentre un computer quantistico pratico e tollerante ai guasti rimane un lavoro in corso, questo approccio geometrico segna un passo avanti fondamentale. Disaccoppiando le operazioni quantistiche dal rumore del controllo laser, i ricercatori hanno creato un percorso verso sistemi più stabili e scalabili, trasformando lentamente il sogno di un potente calcolo quantistico in realtà.
