Che cosa hanno in comune i mattoncini per bambini e i computer quantistici? La risposta è la modularità e per gli scienziati è difficile costruire computer quantistici in modo monolitico, cioè come un’unica grande unità; l’informatica quantistica si basa sulla manipolazione di milioni di unità di informazione chiamate qubit, ma assemblare questi qubit è complesso.
Trovare modi modulari per costruire computer quantistici. Proprio come i mattoncini di plastica che si incastrano tra loro per creare strutture più grandi e complesse, gli scienziati possono realizzare moduli più piccoli e di qualità superiore e collegarli per formare un sistema completo.
La geniale idea di rendere modulare (alla LEGO) i computer quantistici
Riconoscendo il potenziale di questi sistemi modulari, i ricercatori del Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno presentato un approccio avanzato al calcolo quantistico scalabile, dimostrando un’architettura modulare efficace e ad alte prestazioni per processori quantistici superconduttivi.
Il loro lavoro, pubblicato su Nature Electronics, amplia i precedenti design modulari e apre la strada verso sistemi quantistici scalabili, tolleranti agli errori e riconfigurabili.
Il problema dei sistemi monolitici
I sistemi quantistici superconduttivi monolitici sono limitati in termini di dimensioni e fedeltà, che indicano la probabilità di successo degli scienziati nell’eseguire operazioni logiche; una fedeltà pari a 1 significa nessun errore; di conseguenza, i ricercatori mirano a raggiungere valori il più possibile vicini a 1.
Rispetto a questi sistemi monolitici limitati, la modularità consente la scalabilità del sistema, aggiornamenti hardware e tolleranza alla variabilità, rendendola un’opzione più interessante per la costruzione di reti di sistemi.
“Abbiamo creato un metodo ingegneristicamente semplice per ottenere la modularità con i qubit superconduttivi” ha spiegato Wolfgang Pfaff, professore associato di fisica e autore senior dell’articolo. “Posso costruire un sistema che posso assemblare, permettendomi di manipolare due qubit insieme per creare entanglement o operazioni logiche tra di loro? Possiamo farlo con una qualità molto alta? E possiamo anche smontarlo e rimontarlo? Di solito scopriamo che qualcosa è andato storto solo dopo averlo assemblato. Quindi vorremmo davvero avere la possibilità di riconfigurare il sistema in seguito“.
La costruzione di un sistema computer quantistici + LEGO
Costruendo un sistema in cui due dispositivi sono collegati con cavi coassiali superconduttivi per connettere i qubit tra i moduli, il team di Pfaff ha dimostrato una fedeltà della porta SWAP di circa il 99%, con una perdita inferiore all’1% e la capacità di collegare e riconfigurare dispositivi separati tramite un cavo, mantenendo comunque un’alta qualità, offre nuove prospettive al campo nella progettazione di protocolli di comunicazione.
“Trovare un approccio funzionante ha richiesto tempo al nostro settore” ha commentato Pfaff. “Molti gruppi hanno capito che ciò che davvero vogliamo è questa capacità di unire elementi sempre più grandi tramite cavi e, allo stesso tempo, ottenere valori abbastanza buoni da giustificare la scalabilità. Il problema era solo trovare la giusta combinazione di strumenti“.
Il futuro dei computer quantistici
Guardando al futuro, gli ingegneri del Grainger College concentreranno la loro attenzione sulla scalabilità, cercando di collegare più di due dispositivi mantenendo al contempo la possibilità di controllare gli errori.
“Abbiamo buone prestazioni” ha concluso Pfaff. “Ora dobbiamo metterle alla prova e chiederci: sta davvero andando avanti? Ha davvero senso?“
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