By Kenna Hughes-Castleberry pubblicato il 24 novembre 2022
A causa della loro fragilità e sensibilità al rumore, computer quantistici hanno ancora molta strada da fare prima che possano essere utilizzati su più larga scala. Una delle principali sfide nello sviluppo di questa tecnologia riguarda la sua architettura. Come molti ingegneri hanno già scoperto, il qubit all'interno del computer quantistico agiscono allo stesso tempo come unità di memoria e unità di calcolo. Ciò crea limiti a ciò che la tecnologia può fare, poiché le memorie quantistiche non possono essere copiate e quindi non possono essere archiviate in un computer classico. A causa di questa limitazione, molti sviluppatori quantistici ipotizzano che i qubit in un computer quantistico debbano interagire meglio tra loro per condividere le informazioni sulla memoria. Una nuova ricerca dall'Università di Innsbruck suggerisce una nuova architettura per un computer quantistico. Questa architettura, chiamata architettura LHZ dal nome dei ricercatori Wolfgang Lechner, Phillip Hauke e Peter Zoller, è progettata specificamente per l'ottimizzazione ma può anche eseguire operazioni di parità e correzione degli errori. L'architettura consente che questi processi avvengano poiché i qubit fisici sono codificati per la coordinazione tra i bit invece che per i qubit stessi.
"L'architettura LHZ è un'architettura quantistica che ci consente di codificare i problemi di ottimizzazione per un computer quantistico in un modo che non richiede difficili interazioni a lungo raggio per risolverli", ha spiegato il Ph.D. ricercatore Michael Fellner del gruppo di ricerca di Lechner. “Ciò è diverso dagli approcci convenzionali che spesso richiedono un grande sovraccarico di risorse per queste interazioni. Per ridurre questo sovraccarico, l'architettura implementata viene ridotta in modo significativo. Ciò consente all'architettura LHZ di eseguire processi di parità. "Invece di codificare ogni variabile bit direttamente in un bit quantistico (qubit), i qubit nell'architettura LHZ rappresentano la differenza ("parità") tra due o più vitali, il che semplifica l'implementazione di determinati algoritmi quantistici", ha aggiunto Fellner. Codificando i qubit con questa parità, il numero di qubit necessari per il calcolo quantistico diminuisce, consentendo un metodo più semplice per scalabilità e implementazioni e persino suggerendo un possibile modo per rendere queste macchine più mobili.
La ricerca della parità
L'idea di parità su un computer quantistico non è in realtà una novità. Come ha spiegato Fellner: “I computer quantistici esistenti implementano già tali operazioni molto bene su piccola scala. Tuttavia, con l’aumento del numero di qubit, diventa sempre più complesso implementare queste operazioni di gate”. Nel progettare l'architettura LHZ, i ricercatori di Innsbruck hanno pianificato questo possibile problema programmando i loro qubit in un modo diverso rispetto a un tipico computer quantistico. "Sfruttando il fatto che i qubit nell'architettura di parità codificano la parte relativa di più qubit 'standard', è possibile implementare alcune operazioni quantistiche in modo più semplice", ha aggiunto Fellner. “Nel nostro recente lavoro, abbiamo dimostrato che è possibile costruire un insieme di porte che sia universale, ovvero consenta di implementare qualsiasi algoritmo”. Questo tipo di computer quantistico universale suggerisce grandi implicazioni per l’industria dell’informatica quantistica e potrebbe contribuire ad accelerarne lo sviluppo. “Oltre a ciò”, ha affermato Fellner, “è possibile sfruttare il sovraccarico nel numero di qubit per rilevare e correggere gli errori quantistici che potrebbero verificarsi durante il calcolo”.
Utilizzo dell'architettura LHZ per mitigare la correzione degli errori
A causa della loro sensibilità al rumore, i computer quantistici possono diventare piuttosto soggetti a errori. Si stanno testando diversi metodi per mitigare la correzione degli errori e i ricercatori di Innsbruck ritengono che l’architettura LHZ possa aiutare in questo processo. "Gli errori quantistici possono essere classificati in due tipi, i cosiddetti errori di bit-flip e gli errori di fase-flip", ha affermato Fellner. L'architettura LHZ è progettata per correggere entrambi. Un tipo di errore (inversione di bit o errore di fase) è prevenuto dall’hardware utilizzato”, hanno aggiunto i ricercatori di Innsbruck Annette Messinger e Killian Ender. "L'altro tipo di errore può essere rilevato e corretto tramite il software." Con un metodo robusto per la correzione degli errori e la scalabilità, non sarà una sorpresa vedere l’implementazione dell’architettura LHZ.
Già l'azienda spin-off cofondata da Lechner e Magdalena Hauser si chiamava ParitàQC, sta lavorando con ricercatori a Innsbruck e altrove per provare a utilizzare questa nuova architettura.
Kenna Hughes-Castleberry è una scrittrice presso Inside Quantum Technology e Science Communicator presso JILA (una partnership tra l'Università del Colorado Boulder e il NIST). I suoi ritmi di scrittura includono la tecnologia profonda, il metaverso e la tecnologia quantistica.