L’intelligenza artificiale potrebbe contribuire a superare uno dei maggiori ostacoli dell’informatica quantistica?Una nuova ricerca dell’agenzia scientifica nazionale australiana ha scoperto che l’intelligenza artificiale potrebbe aiutare a risolvere gli errori del calcolo quantistico. Questo è un passaggio fondamentale che potrebbe un giorno portare un computer quantistico a risolvere complessi problemi del mondo reale.
L’AI potrebbe contribuire a sviluppare un computer quantistico
Una ricerca del CSIRO, pubblicata sulla rivista Physical Review Research, ha scoperto per la prima volta che l’intelligenza artificiale potrebbe aiutare a elaborare e risolvere gli errori quantistici noti come rumore di qubit, generati dalla natura della fisica quantistica.
Superare questi errori è ampiamente considerato il più grande ostacolo al passaggio dei computer quantistici avanzati da esperimento a strumento.
Nei computer convenzionali, le informazioni vengono memorizzate ed elaborate in “bit”, che funzionano secondo i principi dei numeri binari. Ogni bit può rappresentare 0 o 1. Ma i dispositivi di un computer quantistico sono costituiti da bit quantistici, o “qubit”.
Questi lavorano sulle proprietà speciali della meccanica quantistica, consentendo loro di rappresentare 0, 1 o entrambi 0 e 1 allo stesso tempo. Si prevede che ciò sbloccherà un immenso potere di calcolo, consentendo loro di risolvere problemi oltre la portata dei computer convenzionali.
La natura delicata di un qubit porta anche un computer quantistico a generare “rumore”, o errori, nei loro output. Per superare questo problema, vengono utilizzati codici di correzione degli errori quantistici per rilevare e correggere gli errori.
Il CSIRO ha implementato un decodificatore AI neural network syndrome per rilevare errori e apportare le opportune correzioni. Il responsabile del team Data61 Quantum Systems del CSIRO, il dott. Muhammad Usman, ha affermato che questo lavoro può elaborare in modo efficiente errori complessi da hardware quantistico reale.
“Per la prima volta il nostro lavoro dimostra che un decoder basato sull’apprendimento automatico può, in linea di principio, elaborare informazioni sugli errori ottenute direttamente dalle misurazioni sui dispositivi IBM e suggerire correzioni adeguate nonostante la natura molto complessa del rumore”, ha affermato.
“Nel nostro lavoro, non osserviamo alcuna soppressione degli errori quando la distanza del codice di correzione degli errori viene aumentata, come teoricamente previsto, a causa degli attuali elevati livelli di rumore (oltre la soglia del codice) nei processori quantistici IBM.”
Sono stati sviluppati codici di correzione degli errori quantistici per combattere il rumore fisico sottostante ai qubit, distribuendo le informazioni logiche su molti qubit fisici.
Questi codici interpretano le informazioni di errore misurando gli stabilizzatori all’interno di un reticolo di qubit, chiamato misurazione della sindrome. Un’implementazione efficiente, veloce e scalabile di una fase di elaborazione della sindrome computazionalmente costosa è fondamentale per le prestazioni complessive dei codici di correzione degli errori quantistici.
Per migliorare l’efficienza di questa correzione, il dott. Usman ha implementato e addestrato un decodificatore della sindrome tramite rete neurale artificiale.
Le prestazioni del decodificatore della rete neurale sono state direttamente confrontate con i processori quantistici IBM, dimostrando che è in grado di elaborare in modo efficiente errori complessi provenienti da computer quantistico reale e di apportare le opportune correzioni.
La ricerca suggerisce che, man mano che nei prossimi anni si ridurranno i tassi di errore fisico, l’intelligenza artificiale potrebbe consentire la soppressione degli errori con l’aumento della distanza del codice, raggiungendo persino la piena tolleranza agli errori quando la distanza del codice diventa sufficientemente ampia.
Il computer quantistico Quantinuum che utilizza i “bit quantistici logici” di Microsoft esegue 14.000 esperimenti senza errori
Un team di ingegneri informatici del produttore di computer quantistici Quantinuum, in collaborazione con scienziati informatici di Microsoft, ha trovato un modo per ridurre notevolmente gli errori durante l’esecuzione di esperimenti su un computer quantistico. Il gruppo unito ha pubblicato un articolo che descrive il loro lavoro e i risultati sul server di preprint arXiv.
Gli informatici lavorano da diversi anni per costruire un computer quantistico veramente utile che possa raggiungere la supremazia quantistica. La ricerca ha fatto molta strada, la maggior parte della quale ha comportato l’aggiunta di più qubit.
Ttale ricerca è stata ostacolata da un problema principale: un computer quantistico commette molti errori. Per superare questo problema, i ricercatori hanno cercato modi per ridurre il numero di errori o correggere quelli commessi prima che i risultati venissero prodotti.
Una delle aziende che lavora per ridurre gli errori è Microsoft, e il loro obiettivo principale è stato progettare e utilizzare bit quantistici logici tramite quella che descrivono come “estrazione di sindrome attiva”, in cui alcuni qubit logici vengono creati utilizzando più qubit fisici. Il sistema nel suo complesso è descritto dal team come un sistema di virtualizzazione dei qubit.
In questo nuovo sforzo, Microsoft ha collaborato con Quantinuum, un’azienda nel settore dell’hardware per un computer quantistico. Quantinuum ha fornito il computer H2 (basato su qubit a trappola ionica) e Microsoft ha aggiunto il software qubit logico. Insieme, hanno utilizzato 30 qubit fisici per creare quattro qubit logici.
Il software diagnostica gli errori e li corregge mentre i calcoli sono in corso senza distruggere i qubit logici tramite la sua tecnica di estrazione della sindrome attiva. La tecnica prevede l’apprendimento di dettagli sui qubit per quanto riguarda il rumore, anziché misurarli.
Insieme, il team di ricerca ha testato il proprio approccio eseguendo 14.000 esperimenti sull’H2. Hanno scoperto che li ha completati tutti senza produrre un singolo errore rilevabile. Ulteriori test hanno mostrato che il sistema aveva un tasso di errore di 1 su 100.000, che è circa 800 volte migliore del risultato dello stesso computer quantistico senza i qubit logici di Microsoft.
Dopo aver completato i test, Microsoft ha sostenuto che il team aveva creato un computer quantistico di Livello 2, ovvero un computer con un tasso di errore ragionevolmente basso e che può essere ampliato.
Utilizzo di qubit logici per realizzare un computer quantistico in grado di correggere i propri errori
Un team di fisici, informatici e specialisti di macchine informatiche dell’Università di Harvard, in collaborazione con colleghi di QuEra Computing Inc., dell’Università del Maryland e del MIT, ha creato un computer quantistico con il più grande numero di bit quantistici logici di sempre. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Nature, il gruppo descrive come hanno costruito il loro computer e quanto bene si è comportato quando è stato testato.
Nel recente passato, diversi grandi nomi del calcolo quantistico hanno costruito computer quantistici con più di 1.000 cubiti, dando a tali computer una potenza di calcolo maggiore che mai. Sfortunatamente, tutti soffrono delle enormi quantità di correzione degli errori di cui necessitano, un problema che impedisce a tali computer di diventare mainstream.
I creatori di tali sistemi stanno lavorando a un modo per ridurre il problema, ma finora non è stata trovata una vera soluzione. Altri attori si sono spostati nel mondo della ricerca sul computer quantistico utilizzando un approccio diverso basato su qubit logici anziché su qubit basati su hardware.
I qubit logici sono raggruppamenti di qubit connessi tramite entanglement quantistico. Invece di affidarsi a copie ridondanti di informazioni come protocollo di correzione degli errori, le macchine basate su qubit logici si affidano alla ridondanza integrata dell’entanglement. Per questo nuovo studio, il team di ricerca ha costruito un computer quantistico con 48 qubit logici, il numero più alto mai raggiunto da qualsiasi team.
Il nuovo computer quantistico è stato costruito separando migliaia di atomi di rubidio in una camera a vuoto. Il team ha quindi utilizzato laser e magneti per raffreddare gli atomi fino a quasi lo zero assoluto. Hanno utilizzato altri laser per creare qubit da 280 atomi e poi li hanno intrecciati e sono stati in grado di creare 48 qubit logici in una volta. I qubit logici sono stati fatti interagire utilizzando pinzette ottiche , evitando la necessità di fili.
I test preliminari della macchina hanno mostrato che durante l’esecuzione dei calcoli, il loro computer quantistico presentava meno errori rispetto ad altre macchine più grandi basate su qubit fisici. I ricercatori suggeriscono che la loro macchina rappresenta un ulteriore passo verso l’obiettivo finale di creare un computer quantistico di uso generale in grado di eseguire calcoli e calcoli combinatori che non sono ancora realizzabili utilizzando l’attuale tecnologia informatica.