Raggiunta una pietra miliare nella correzione degli errori quantistici

I computer quantistici sono considerati un faro di speranza per l'elaborazione futura delle informazioni. Tuttavia, non si sa se saranno mai in grado di sostituire i computer convenzionali, poiché i computer quantistici presentano un problema: sono estremamente soggetti a errori e la correzione degli errori è molto impegnativa.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti a superare un importante ostacolo: per la prima volta sono stati in grado di correggere automaticamente gli errori nei sistemi quantistici in misura tale da poter utilizzare in pratica i risultati delle operazioni quantistiche. "La prova che gli errori in un computer quantistico che lavora con bit quantistici (qubit) possono essere corretti rapidamente e ripetutamente è una svolta sulla strada verso un computer quantistico pratico", afferma Andreas Wallraff, professore del Dipartimento di fisica e direttore del Centro quantistico dell'ETH di Zurigo. Gli scienziati hanno appena pubblicato l'articolo corrispondente come un pagina esternaPreprint pubblicato su ArXiv.org e sottoposto a una rivista scientifica per la pubblicazione.

Ingegnosa disposizione dei qubit

I precedenti metodi di correzione degli errori erano in grado di rilevare e correggere solo uno dei due tipi fondamentali di errore che si verificano nei sistemi quantistici. Il team guidato da Andreas Wallraff presenta ora il primo sistema in grado di rilevare e correggere ripetutamente entrambi i tipi di errore. I ricercatori hanno ottenuto questo importante successo con un chip appositamente prodotto nel laboratorio della camera bianca dell'ETH di Zurigo, che contiene un totale di 17 qubit superconduttori. Il team di ricerca ha realizzato la correzione degli errori con il cosiddetto codice di superficie, un metodo in cui l'informazione quantistica di un qubit è distribuita su diversi qubit fisici.

Nove dei 17 qubit sul chip sono disposti in un reticolo quadrato tre per tre e insieme formano un cosiddetto qubit logico, l'unità di calcolo di un computer quantistico. Gli altri otto qubit del chip sono sfalsati. Il loro compito è quello di riconoscere gli errori nel sistema.

Se si verifica un errore nel qubit logico che distorce le informazioni, il sistema lo riconosce come un errore. L'elettronica di controllo corregge quindi il segnale di misura di conseguenza. "Al momento non correggiamo ancora gli errori direttamente nei qubit", spiega Sebastian Krinner, scienziato del gruppo di Wallraff e autore principale dello studio insieme a Nathan Lacroix. "Ma questo non è necessario per la maggior parte delle operazioni di calcolo".

L'elettronica altamente specializzata utilizzata per controllare i qubit sul chip è stata prodotta dall'ETH di Zurigo. Il chip stesso si trova al livello più basso di un grande criostato - uno speciale dispositivo di raffreddamento - e opera a una temperatura di appena 0,01 Kelvin, cioè appena sopra lo zero assoluto.

Un campo di ricerca competitivo

La correzione degli errori è attualmente un campo altamente competitivo nella ricerca quantistica. Oltre a scuole universitarie come l'ETH di Zurigo e il TU Delft, partecipano a questa competizione anche grandi aziende come Google e IBM. "Il fatto che, insieme ai nostri colleghi tedeschi e canadesi, siamo riusciti a essere il primo gruppo a realizzare una correzione pratica degli errori con i qubit ci riempie di orgoglio", afferma Wallraff. "? la conferma che l'ETH di Zurigo è davvero ai vertici della ricerca quantistica".

In una fase successiva, i ricercatori dell'ETH vogliono ora costruire un chip con un reticolo di qubit cinque per cinque, che richiede una tecnologia altrettanto complessa e dovrebbe contenere più qubit per la correzione degli errori.

Riferimento

Krinner, S et al: pagina esternaRealizzare la correzione degli errori quantistici ripetuti in un codice a distanza di tre superfici,caricato su Arxiv.org il 7 dicembre 2021 (manoscritto non ancora sottoposto a peer-review)