Raggiunto un tipo di accoppiamento tra atomi artificiali e fotoni che potrebbero consentire la lettura e l'elaborazione di informazioni quantistiche in alcuni nanosecondi
Progressi verso un computer quantistico tollerante ai guasti.
In futuro, i computer quantistici potrebbero simulare rapidamente nuovi materiali o aiutare gli scienziati a sviluppare modelli di machine learning più veloci, aprendo la strada a numerose possibilità.
Ma tutto ciò sarà possibile solo se i computer quantistici sapranno eseguire operazioni estremamente rapide, così da permettere misurazioni e correzioni prima che l'accumulo di errori ne comprometta l’accuratezza e l’affidabilità.
L’efficacia di questo processo di misurazione dipende dalla forza dell’accoppiamento tra fotoni — particelle di luce che trasportano informazione quantistica — e atomi artificiali, elementi spesso utilizzati per memorizzare dati nei computer quantistici.
Ora, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno dimostrato quello che ritengono essere l’accoppiamento luce-materia non lineare più forte mai ottenuto in un sistema quantistico. L’esperimento rappresenta un passo avanti verso operazioni e letture quantistiche eseguibili in pochi nanosecondi.
Utilizzando una nuova architettura a circuito superconduttore, hanno mostrato un accoppiamento non lineare luce-materia circa dieci volte più forte rispetto ai precedenti risultati, potenzialmente in grado di far funzionare un processore quantistico dieci volte più velocemente.
Secondo Yufeng “Bright” Ye (1), autore principale dello studio pubblicato su Nature Communications (2), c’è ancora molta strada da fare prima che l’architettura possa essere adottata in computer quantistici reali, ma dimostrare la fisica di base è un passo fondamentale.
«Ciò eliminerebbe davvero uno dei colli di bottiglia nel calcolo quantistico. Di solito, è necessario misurare i risultati dei calcoli tra i round di correzione degli errori. Ciò potrebbe accelerare la velocità con cui possiamo raggiungere la fase di calcolo quantistico tollerante all'errore ed essere in grado di ottenere applicazioni del mondo reale e valutare i nostri computer quantici», afferma Ye.
Un nuovo accoppiatore
Questa dimostrazione fisica si basa su anni di ricerca teorica nel gruppo O’Brien.
Dopo che il dottor Ye si è unito al laboratorio come studente di dottorato nel 2019, ha iniziato a sviluppare un rilevatore di fotoni specializzato per migliorare l'elaborazione delle informazioni quantistiche.
Attraverso quel lavoro, ha inventato un nuovo tipo di accoppiatore quantistico, che è un dispositivo che facilita le interazioni tra i qubit, che sono i mattoni di un computer quantistico. Questo progetto aveva così tante potenziali applicazioni nelle operazioni quantistiche e della lettura che è stato rapidamente posizionato al centro del laboratorio.
Questo accoppiatore quarton è un tipo speciale di circuito superconduttore che ha il potenziale per generare un accoppiamento non lineare estremamente forte, che è essenziale per eseguire la maggior parte degli algoritmi quantistici. Man mano che i ricercatori danno più corrente nell'accoppiatore, crea un'interazione non lineare ancora più forte. In questo senso, la non linearità significa che un sistema si comporta in un modo maggiore della somma delle sue parti, esibendo proprietà più complesse.
«La maggior parte delle utili interazioni nel calcolo quantistico proviene dall'accoppiamento non lineare di luce e materia. Se è possibile ottenere una gamma più versatile di diversi tipi di accoppiamento e aumentare la resistenza dell'accoppiamento, allora è possibile aumentare essenzialmente la velocità di elaborazione del computer quantistico», spiega Ye.
Per la lettura quantistica, i ricercatori fanno luce a microonde su un qubit e quindi, a seconda che quel qubit sia nello stato 0 o 1, c'è uno spostamento di frequenza sul risonatore di lettura associato. Misurano questo spostamento per determinare lo stato del qubit.
L'accoppiamento non lineare light-matter tra il qubit e il risonatore abilita questo processo di misurazione.
I ricercatori del MIT hanno progettato un'architettura con un quartiere collegato a due qubit superconduttori su un chip. Trasformano un qubit in un risonatore e usano l'altro qubit come atomo artificiale che immagazzina informazioni quantistiche. Queste informazioni vengono trasferite sotto forma di particelle di luce a microonde chiamate fotoni.
«L'interazione tra questi atomi artificiali superconduttori e la luce a microonde che percola il segnale è sostanzialmente come viene costruito un intero computer quantistico superconduttore», spiega Ye.
Abilitando una lettura più veloce
L'accoppiatore quarton crea un accoppiamento non lineare tra il qubit e il risonatore che riguarda un ordine di grandezza più forte di quanto i ricercatori avessero mai raggiunto. Ciò potrebbe consentire un sistema quantico con letture fulminee.
«Questo lavoro non è la fine della storia. Questa è la dimostrazione di fisica fondamentale, ma ora c'è un lavoro nel gruppo per realizzare letture molto veloci», afferma il dottor Kevin P. O’Brien (3).
Ciò implicherebbe l'aggiunta di ulteriori componenti elettronici, come i filtri, per produrre un circuito di lettura che potrebbe essere incorporato in un sistema quantico più ampio.
Gli scienziati hanno anche dimostrato un accoppiamento estremamente forte della materia, un altro tipo di interazione di qubit che è importante per le operazioni quantistiche. Questa è un'altra area che prevedono di esplorare con lavori futuri.
Operazioni e letture veloci sono particolarmente importanti per i computer quantistici perché i qubit hanno una durata finita, un concetto noto come tempo di coerenza.
L'accoppiamento non lineare più forte consente a un processore quantistico di funzionare più velocemente e con un errore inferiore, in modo che i qubit possano eseguire più operazioni nello stesso periodo di tempo. Ciò significa che i qubit possono eseguire più cicli di correzione degli errori durante la loro durata.
«Più correzioni di errore riesci a fare durante la vita utile di un qubit, minore sarà l’errore complessivo nei risultati», afferma il dottor Ye.
A lungo termine, questo lavoro potrebbe aiutare gli scienziati a costruire un computer quantistico tollerante ai guasti, passo essenziale verso un calcolo quantistico su larga scala.
È unito sul giornale dall'autore senior Kevin O’Brien, professore associato e investigatore principale del laboratorio di ricerca di Electronics (RLE) presso il MIT che guida il gruppo di elettronica coerente quantistico presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica (EEC). Altri coautori del MIT, con affiliazioni nel laboratorio di RLE e/o del MIT Lincoln, includono Jeremy B. Kline, Alec Yen, Gregory Cunningham, Max Tan, Alicia Zang, Michael Gingras, Bethany M. Niedzielski, Hannah Stickler, Kyle Serniak e Moollie E. Schwartz. Questa ricerca è stata supportata, in parte, dall'Army Research Office, dal AWS Center for Quantum Computing, e dal MIT Center for Quantum Engineering.
Riferimenti:
(1) Yufeng Ye
(2) Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits
(3) Kevin P. O’Brien
Descrizione foto: I ricercatori hanno dimostrato un accoppiamento di materia leggera non lineare estremamente forte in un circuito quantistico. L'accoppiamento più forte consente una lettura e operazioni più rapide utilizzando Qubits, che sono le unità fondamentali delle informazioni nel calcolo quantistico. - Credit: Christine Daniloff, MIT.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: MIT engineers advance toward a fault-tolerant quantum computer