I computer quantistici ad atomo neutro stanno vivendo un momento – Physics World

Nella corsa per la piattaforma di calcolo quantistico del futuro, gli atomi neutri sono stati un po’ sfavoriti. Sebbene i bit quantistici (qubit) basati su atomi neutri abbiano diverse caratteristiche interessanti, inclusa la facilità di aumentare i numeri di qubit e di eseguire operazioni su di essi in parallelo, la maggior parte dell’attenzione si è concentrata sulle piattaforme rivali. Molte delle macchine più grandi sono costruite con qubit superconduttori, comprese quelle sviluppate presso IBM, Google, Amazone Microsoft. Altre aziende hanno optato per gli ioni, come Honeywell ed IonQ, o fotoni, come Xanadu.

Nelle ultime settimane, tuttavia, diversi sviluppi accattivanti hanno spinto gli atomi neutri verso la prima posizione. Uno di questi proveniva da una start-up chiamata Atom Computing, che annunciato a fine ottobre che presto avrà un Macchina ad atomo neutro da 1000 qubit pronto per i clienti: il primo dispositivo quantistico commerciale a superare questo traguardo. Gli altri provenivano da tre gruppi di ricercatori che hanno pubblicato studi separati in Natura descrivendo piattaforme ad atomi neutri con basso rumore, nuove capacità di mitigazione degli errori e un forte potenziale di scalabilità fino a numeri ancora maggiori di qubit.

Per qualsiasi piattaforma qubit, i maggiori ostacoli a operazioni quantistiche robuste sono il rumore e gli errori che provoca. “La correzione degli errori è davvero la frontiera dell’informatica quantistica”, afferma Jeff Thompson, un fisico dell'Università di Princeton, negli Stati Uniti, che ha guidato uno dei tre studi insieme Shruti Puri dell'Università di Yale, negli Stati Uniti. "È la cosa che si frappone tra noi e che effettivamente esegue calcoli utili."

Il motivo per cui la correzione degli errori è così importante è che rende possibili i calcoli anche se l'hardware sottostante è soggetto a rumore. I computer classici utilizzano una semplice strategia di correzione degli errori chiamata codice di ripetizione: memorizzano le stesse informazioni più volte in modo che, se si verifica un errore in un bit, il "voto della maggioranza" dei bit rimanenti punterà comunque al valore corretto. Gli algoritmi di correzione degli errori quantistici sono essenzialmente versioni più complesse di questo, ma prima che una piattaforma possa trarne vantaggio, il suo hardware deve soddisfare alcuni requisiti minimi di fedeltà. Per gli algoritmi quantistici tradizionali, la regola pratica è che il tasso di errore per l’unità minima di calcolo quantistico – un cancello quantistico – dovrebbe essere inferiore all’1%.

Abbattere il rumore

I ricercatori guidati da Mikhail Lukin dell'Università di Harvard, negli Stati Uniti, sono ora segnalando che il loro computer quantistico ad atomo neutro ha raggiunto tale soglia, ottenendo un tasso di errore dello 0.5%. Hanno raggiunto questo traguardo implementando porte a due qubit in un modo sperimentato dai team in Germania ed Francia, e la loro macchina, che hanno sviluppato con i colleghi del vicino Massachusetts Institute of Technology (MIT), funziona come segue.

Innanzitutto, un vapore di atomi di rubidio viene raffreddato appena sopra lo zero assoluto. Quindi, i singoli atomi vengono catturati e trattenuti da raggi laser strettamente focalizzati in una tecnica nota come pinzetta ottica. Ogni atomo rappresenta un singolo qubit e centinaia sono disposti in una matrice bidimensionale. L’informazione quantistica in questi qubit – uno zero o uno o una sovrapposizione quantistica dei due – è immagazzinata in due diversi livelli energetici degli atomi di rubidio.

Per eseguire una porta a due qubit, due atomi vengono avvicinati l'uno all'altro e contemporaneamente illuminati da un laser. L'illuminazione promuove uno degli elettroni dell'atomo a un livello energetico elevato noto come stato di Rydberg. Una volta in questo stato, gli atomi interagiscono facilmente con i loro vicini più prossimi, rendendo possibile l’operazione di gate.

Per migliorare la fedeltà dell'operazione, il team ha utilizzato una sequenza di impulsi ottimizzata recentemente sviluppata per eccitare i due atomi allo stato Rydberg e riportarli giù. Questa sequenza di impulsi è più veloce rispetto alle versioni precedenti, dando agli atomi meno possibilità di decadere nello stato sbagliato, il che interromperebbe il calcolo. La combinazione di questo con altri miglioramenti tecnici ha permesso al team di raggiungere una fedeltà del 99.5% per le porte a due qubit.

Sebbene altre piattaforme abbiano raggiunto fedeltà comparabili, i computer quantistici ad atomo neutro possono eseguire più calcoli in parallelo. Nel loro esperimento, Lukin e il suo team hanno applicato il loro gate a due qubit a 60 qubit contemporaneamente semplicemente illuminandoli con lo stesso impulso laser. “Questo lo rende molto, molto speciale”, afferma Lukin, “perché possiamo avere un’alta fedeltà e possiamo farlo in parallelo con un solo controllo globale. Nessun’altra piattaforma può effettivamente farlo”.

Cancellazione degli errori

Mentre il team di Lukin ha ottimizzato il proprio esperimento per raggiungere la soglia di fedeltà per l'applicazione degli schemi di correzione degli errori, Thompson e Puri, insieme ai colleghi dell'Università di Strasburgo, in Francia, hanno trovato un modo per convertire alcuni tipi di errori in cancellazioni, rimuovendoli del tutto dal sistema . Ciò rende questi errori molto più facili da correggere, abbassando la soglia affinché gli schemi di correzione degli errori funzionino.

La configurazione di Thompson e Puri è simile a quella del team di Harvard-MIT, con singoli atomi ultrafreddi tenuti in pinzette ottiche. La differenza principale è che usavano atomi di itterbio invece di rubidio. L’itterbio ha una struttura a livello energetico più complicata rispetto al rubidio, il che rende più difficile lavorarci ma fornisce anche più opzioni per codificare gli stati quantistici. In questo caso, i ricercatori hanno codificato lo “zero” e l’“uno” dei loro qubit in due stati metastabili, anziché nei tradizionali due livelli energetici più bassi. Sebbene questi stati metastabili abbiano una durata di vita più breve, molti dei possibili meccanismi di errore porterebbero gli atomi fuori da questi stati e nello stato fondamentale, dove possono essere rilevati.

Essere in grado di eliminare gli errori è un grande vantaggio. Classicamente, se più della metà dei bit in un codice ripetuto presentano errori, verranno trasmesse le informazioni errate. "Ma con il modello di cancellazione, è molto più potente perché ora so quali bit hanno avuto un errore, quindi posso escluderli dal voto della maggioranza", spiega Thompson. "Quindi tutto ciò di cui ho bisogno è che ne rimanga un bel po'."

Grazie alla loro tecnica di conversione della cancellazione, Thompson e colleghi sono riusciti a rilevare circa un terzo degli errori in tempo reale. Sebbene la fedeltà del loro gate a due qubit, pari al 98%, sia inferiore a quella della macchina del team di Harvard-MIT, Thompson osserva che hanno utilizzato quasi 10 volte meno potenza laser per azionare il loro gate, e l'aumento della potenza aumenterà le prestazioni consentendo anche una frazione maggiore di errori da rilevare. La tecnica di cancellazione degli errori abbassa inoltre la soglia per la correzione degli errori al di sotto del 000%; in uno scenario in cui quasi tutti gli errori vengono convertiti in cancellature, cosa che secondo Thompson dovrebbe essere possibile, la soglia potrebbe scendere fino al 99%.

Cancellazione degli errori di multiplexing

In un relativo risultato, anche i ricercatori del California Institute of Technology, USA (Caltech) hanno convertito gli errori in cancellature. La loro macchina atomica neutra basata sullo stronzio è un tipo più ristretto di computer quantistico noto come simulatore quantistico: mentre possono eccitare gli atomi fino allo stato Rydberg e creare sovrapposizioni entangled tra lo stato fondamentale e lo stato Rydberg, il loro sistema ha un solo stato fondamentale, il che significa che non possono memorizzare informazioni quantistiche a lungo termine.

Il nuovo qubit ad atomo neutro offre vantaggi per il calcolo quantistico

Tuttavia, hanno creato queste sovrapposizioni intricate con una fedeltà senza precedenti: 99.9%. Hanno anche realizzato un'enorme sovrapposizione composta non solo da due atomi, ma da 26, e hanno migliorato la fedeltà di tale operazione cancellando alcuni errori. "Fondamentalmente dimostriamo che è possibile portare questa tecnica nel regno dei molti corpi", afferma Adam Shaw, dottorando in Il gruppo di Manuel Endres al Caltech.

Insieme, i tre progressi mettono in mostra le capacità dei computer quantistici ad atomo neutro, e i ricercatori affermano che le loro idee possono essere combinate in una macchina che funziona anche meglio di quelle dimostrate finora. "Il fatto che tutti questi lavori siano usciti insieme è un po' il segno che sta per arrivare qualcosa di speciale", conclude Lukin.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/