Teoria e hardware: grandi progressi nell’informatica quantistica

I computer quantistici sono dietro l’angolo.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di porre le basi teoriche e fare le scoperte sperimentali necessarie per costruire i primi computer quantistici. Questo lavoro è in corso. Ma negli ultimi anni, il campo ha raggiunto un punto di svolta: i computer quantistici non sono più solo l’oggetto del lavoro scientifico; ora vengono usati per fare lavoro scientifico.

Questo solleva 2 domande. In primo luogo, come possiamo costruire computer quantistici più pratici, stabili e potenti? In secondo luogo, quali sono le possibilità dei computer quantistici che abbiamo ora?

Un team di ricercatori tra cui Tim Hsieh, un teorico del Perimeter Institute, Sonika Johri, un ricercatore di algoritmi quantistici presso Intel, e Chris Monroe, uno sperimentatore di fisica quantistica, ha sviluppato un nuovo metodo per la simulazione quantistica. Come dimostrano questi scienziati, scegliere il problema giusto può far progredire il calcolo quantistico e la fisica quantistica.

“Lo chiamo lo stack quantistico”, dice Monroe, che dirige il Trapped Ion Quantum Information Laboratory dell’Università del Maryland e il Quantum Physics Center della Duke University. Ognuno di questi centri ha un computer quantistico che è tra i più avanzati della sua classe. Nell’informatica, l’hardware forma la parte inferiore della pila, i compilatori e i programmi sono nel mezzo, e l’utente è in cima. La maggior parte delle volte, all’utente non interessa come funzionano l’hardware e il software.

Lo stack quantistico è strutturato allo stesso modo, e in questo caso è l’hardware di Mr. Nel suo laboratorio, i singoli ioni sono portati a uno stato quasi quiescente in pozzi di potenziale elettrico, come biglie in un cartone di uova. Possono essere “punzecchiati”, come dice Monroe, con il laser. “Gli ioni sono molto freddi e molto isolati, quindi possiamo controllarli abbastanza bene. “Ogni ione agisce come un qubit individuale, la versione quantistica di un bit di un computer convenzionale (0 o 1), e può memorizzare diversi pezzi di informazione in una volta. Gli ioni possono essere intrecciati, come se i loro stati quantici fossero collegati da fili invisibili. Questo set-up può costituire un piccolo ma robusto computer quantistico.

In mezzo al mucchio ci sono ricercatori di algoritmi quantistici come Sonika Johri, che lavorava alla Intel quando è stata condotta questa ricerca. (Ora fa parte della società di calcolo quantistico IonQ, di cui Chris Monroe è uno dei fondatori). Per risolvere un problema computazionale, bisogna progettare la sequenza di passi da eseguire, che si chiama algoritmo”, dice Johri. Progettare un algoritmo quantistico significa essenzialmente immaginare i passi da fare per raggiungere un certo stato in un computer quantistico. È un mix eccitante di informatica e fisica. “

In cima al mucchio ci sono teorici come Tim Hsieh, un esperto in materia quantistica e informazione quantistica. “Quello che mi interessa”, dice, “è soprattutto sondare questi molti assemblaggi di qubit e cercare di creare nuovi fenomeni quantistici in questi sistemi artificiali. “

Ritratto di un uomo in posa nell'atrio di un grande edificio
Tim Hsieh, professore al Perimeter Institute

Come un ingegnere che studia la costruzione di una diga complessa utilizzando un modello in scala in un bacino di laboratorio, il dott. Hsieh spera di sfruttare questi sistemi quantici controllabili per imparare di più su modelli più impegnativi di materiali quantici fortemente interagenti. Per questo progetto, egli mira a creare un doppio stato di campo termico (TFD) in laboratorio.

I TFD sono interessanti per diverse ragioni. Uno dei principali è che permettono la simulazione degli stati termici dei sistemi quantistici.

Molti dei problemi irrisolti nei sistemi quantistici a corpo N – per esempio, i misteri dei superconduttori ad alta temperatura – coinvolgono gli stati termici. Ma questi sono notoriamente difficili da simulare accuratamente in laboratorio.

Il metodo usuale per simulare uno stato quantico termico è quello di portare il sistema in studio in contatto con quello che è noto come un serbatoio termico – un dispositivo molto più grande che può modificare il sistema in studio con poco effetto stesso. È un po’ come immergere un cubetto di ghiaccio nell’oceano. Sfortunatamente, quando si fa questo con un sistema quantistico, tutte le sue interessanti proprietà quantistiche si fondono nell’ambiente e si perdono nelle onde, in un processo chiamato decoerenza quantistica.

Il metodo DFT è diverso. Invece di mettere il fragile sistema quantico in contatto con un serbatoio termico, lo si mette in contatto con una copia di se stesso, alla quale è legato da entanglement. A differenza del legame tra l’oceano e il cubetto di ghiaccio, il grado di entanglement può essere controllato con precisione.

“Il DFT consiste in 2 copie entangled di stati quantici. Il grado di entanglement determina la ‘temperatura’ del sistema originale”, dice Hsieh. Questo entanglement può essere controllato con precisione in modo che il sistema originale sia nello stato termico desiderato ad una data temperatura. “

In altre parole, l’entanglement agisce come un termostato che fornisce ai ricercatori un nuovo modo per controllare gli stati termici dei sistemi quantistici.

Poiché è una tecnica potente, non sorprende che molti scienziati vogliano creare DFT in laboratorio. Infatti, nello stesso momento in cui Tim Hsieh pubblicava le proposte del suo team per creare le DFT, altri 2 gruppi pubblicavano metodi diversi. Questo illustra l’importanza di studiare le DFA”, dice il dottor Hsieh. Crediamo che il nostro metodo sia particolarmente adatto per esperimenti a breve termine. “

Ma ciò che è eccitante quasi quanto la creazione delle DFA è il modo in cui il team l’ha raggiunto e i potenti strumenti che ha sviluppato nel processo.

Uomo che lavora a una macchina in un laboratorio
Chris Monroe, sperimentatore di ioni intrappolati (Immagine © Cameron Davidson, per Science magazine)

Il signor Monroe spiega: “Creare un dato stato è l’obiettivo, ma spesso è molto difficile ottenere il circuito per creare lo stato desiderato. Se questo fosse un computer convenzionale, bisognerebbe sapere quali transistor collegare insieme per formare le porte logiche che sono il cuore di tutta l’informatica”. In questo caso, il problema è: quali qubit devono essere interlacciati, e in che modo, per creare una DFT? Mentre il numero di qubit è ancora piccolo, il numero di modi per intricarli è immenso, e non si può solo indovinare.

“Il doppio stato di campo termico è ovviamente interessante”, dice Monroe, “ma come lo si crea? È qui che entra in gioco il lavoro di Tim”

Invece di andare a tentoni, Tim Hsieh e Jingxiang Wu, uno studente di dottorato al Perimeter Institute, hanno trovato un modo alternativo per trovare il giusto modello di entanglement. Hanno usato un metodo graduale chiamato algoritmo di ottimizzazione approssimativa quantistica, o QAOA. Le QAOA non sono nuove, ma l’articolo di Hsieh e Wu è stato il primo a proporre il loro uso per la creazione di stati termici.

Tim Hsieh ha poi collaborato con Sonika Johri, che aveva esperienza nell’implementazione di algoritmi come questo nuovo QAOA su computer quantistici a ioni intrappolati come quello di Chris Monroe. Ho detto loro che potevano eseguire questo algoritmo su questo hardware”, ricorda. Sembra molto efficiente e potrebbe dare buoni risultati. “

Ritratto di una donna sorridente con una camicia rosa
Sonika Johri, ricercatore di algoritmi quantistici

E questo è quello che è successo, anche se è stato più complicato che implementare l’algoritmo e scrivere il documento: tutti e 3 i ricercatori descrivono l’avanti e indietro nella pila tra teoria e hardware. E tutti e tre descrivono la complessità dei risultati, il tipo di cose che si possono imparare solo provando. Ma alla fine, questo team è stato il primo a dimostrare che l’utilizzo di una QAOA per progettare e poi creare uno stato fisico interessante funziona effettivamente nella pratica.

“Il risultato finale è un nuovo potente protocollo per l’implementazione di stati termici”, dice Hsieh. Gli stati termici sono importanti, ma sono difficili da ottenere. Ora che questo protocollo esiste, credo che potrebbe essere usato molto. “

Questo progetto illustra anche quanta strada ha fatto il campo dell’informatica quantistica – e che i più grandi progressi sono stati fatti all’intersezione di teoria e sperimentazione. Solo cinque o 10 anni fa, il campo era molto compartimentato: gli scienziati dell’hardware cercavano di creare qubit stabili o buone porte quantistiche; i ricercatori algoritmici si concentravano sulla teoria della complessità, e pensavano a quali algoritmi potessero funzionare, senza preoccuparsi di come potessero essere implementati.

“Finché i computer quantistici non esistevano, andava bene così”, dice Johri. Gli scienziati stavano facendo un lavoro fondamentale sull’hardware e una ricerca molto teorica sul software, e avevamo bisogno di entrambi. Ma ora esistono davvero i computer quantistici. “

Per far progredire i computer quantistici, hanno bisogno di essere testati al massimo, quindi abbiamo bisogno di trovare progetti che spingano i confini di ciò che è possibile a tutti i livelli dello stack: teorici con nuove idee su cosa fare e come farlo; programmatori quantistici che possono implementare quelle idee in modo efficiente; specialisti di hardware che possono farlo accadere nel mondo fisico.

“Penso che questo sarà fondamentale per il campo per andare avanti”, dice Sonika Johri. È al crocevia dell’hardware e della teoria che tutto questo diventerà realtà. ”

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