La correzione degli errori nel mondo quantistico

"Qui, in fondo a questo contenitore bianco, ci sono i circuiti", spiega Sebastian Krinner con evidente orgoglio dopo aver guidato i visitatori attraverso l'ampia sala fiancheggiata da apparecchiature high-tech. La fisica ha allestito il suo esperimento sul fondo del Quantum Device Lab e probabilmente trascorrerà molte altre ore di lavoro qui nei prossimi anni. Quest'anno Krinner è il primo a ricevere il premio Lopez-Loreta, che gli consentirà di continuare a lavorare al suo progetto presso l'ETH di Zurigo nei prossimi anni.

Stati quantistici sensibili

Krinner sta portando avanti un progetto ambizioso: Come assistente in capo al gruppo di ricerca di Andreas Wallraff, vuole fare un passo avanti decisivo nello sviluppo dei computer quantistici. "Quando si parla di computer quantistici, di solito si intende il controllo del maggior numero possibile di qubit", spiega. "Ma spesso si dimentica che i qubit, in quanto sponsor dell'informazione quantistica, non funzionano in modo impeccabile". Infatti, i fragili stati quantistici possono essere facilmente disturbati, permettendo alle imprecisioni e alle informazioni errate di insinuarsi nei calcoli.

Come si può quindi mantenere il tasso di errore il più basso possibile? Krinner vuole dimostrare che questo obiettivo può essere raggiunto con l'aiuto dei cosiddetti qubit logici. In un qubit logico, diversi qubit sono interconnessi in modo tale da funzionare come un singolo qubit, solo più stabile e quindi meno soggetto a errori.

Complesso set-up sperimentale

In teoria sembra più facile di quanto non lo sia in realtà. In primo luogo, i singoli qubit devono già avere un alto livello di affidabilità prima di essere interconnessi. Se hanno un tasso di errore superiore all'uno per cento, collegarli per formare qubit logici è in realtà controproducente: il tasso di errore aumenterebbe invece di diminuire. In secondo luogo, i qubit devono essere collegati in uno spazio molto ristretto. Questo rende il controllo degli elementi quantistici piatti molto più impegnativo.

Krinner sta attualmente lavorando al collegamento di alcuni qubit per formare qubit logici e verificarne il comportamento sperimentale. Nel contenitore bianco, fulcro del suo impianto sperimentale, i qubit sono raffreddati a temperature inimmaginabili di pochi millikelvin, cioè quasi allo zero assoluto. Allegati a una costruzione dall'aspetto futuristico e controllati da numerosi cavi coassiali sottili, i qubit vengono poi interconnessi quantomeccanicamente nella forma desiderata.

Una visione chiara

Il mondo della fisica quantistica ha affascinato Krinner fin dall'inizio dei suoi studi di fisica a Regensburg e Parigi. Durante il periodo trascorso all'ETH ha lavorato con sistemi molto diversi. Come dottorando sotto Tilman Esslinger, si è concentrato sugli atomi ultrafreddi come oggetti meccanici quantistici catturati e raffreddati in trappole laser. Presso Andreas Wallraff, lavora ora con circuiti superconduttori, che può presentare sulla scrivania del suo ufficio a scopo dimostrativo. "In questo lavoro confluiscono molte cose", spiega Krinner. "Dal lavoro teorico alla pianificazione e alla realizzazione degli esperimenti, fino all'allestimento del complesso set-up sperimentale e alla fabbricazione dei circuiti quantomeccanici nella camera bianca del laboratorio: la gamma di compiti che il ricercatore deve padroneggiare è davvero molto ampia.

Krinner ha una visione chiara: se lo sviluppo dei qubit logici procede secondo i piani, nella seconda parte del progetto vorrebbe combinarli in un computer quantistico ancora più potente. "I computer quantistici hanno un grande potenziale tecnico perché sono in grado di risolvere compiti di calcolo complessi ed elaborati in modo molto più efficiente rispetto ai computer convenzionali", afferma Krinner, spiegando il suo fascino per il suo campo di ricerca. "E sono anche molto stimolanti dal punto di vista scientifico, perché lo sviluppo di queste macchine ci dà molte nuove conoscenze sul funzionamento della fisica in queste aree". Tuttavia, il premio Lopez-Loreta gli offre ora l'opportunità di assumere due dottorandi per dare ulteriore impulso al suo progetto.