Un nuovo chip superconduttore realizzato dalla IBM dimostra una tecnica cruciale per lo sviluppo di computer quantistici.
di Tom Simonite
Quando portati alla frazione di un grado sopra lo zero assoluto, i quattro elementi neri al centro del circuito di questa immagine possono rappresentare dati digitali utilizzando effetti di meccanica quantistica.Un chip superconduttore sviluppato da IBM dimostra un importante passaggio necessario per la creazione di processori in grado di elaborare dati sfruttando una particolarità della fisica quantistica. In caso di successo, i computer quantistici potrebbero ricorrere a scorciatoie in diversi calcoli che risultano difficili per i computer odierni.
Il nuovo chip IBM è il primo a integrare i dispositivi fondamentali per costruire un computer quantistico, conosciuti come qubit, in una griglia 2-D. I ricercatori ritengono che uno dei migliori percorsi per costruire un pratico computer quantistico comporti la creazione di reti di centinaia o migliaia di qubit che collaborino fra loro. I circuiti del chip IBM sono composti da metalli che diventano superconduttori quando portati a temperature estremamente basse. Il chip opera solamente ad una frazione di grado al di sopra dello zero assoluto.
Il chip IBM contiene solo la griglia più semplice possibile, formata da quattro qubit in una schiera di due per due. In precedenza, i ricercatori avevano saputo solamente dimostrare il funzionamento di qubit allineati. A differenza dei bit binari, un qubit è in grado di accedere a uno “stato di sovrapposizione” per cui 0 e 1 incorrono simultaneamente. Quando i qubit lavorano assieme in questo stato, calcoli complessi possono essere risolti semplicemente in modi impossibili per gli hardware convenzionali. Google, NASA, Microsoft, IBM e il governo degli Stati Uniti stanno tutti lavorando a questa tecnologia.
Esistono vari metodi per creare qubit, e circuiti superconduttori come quelli sviluppati da IBM e Google sono uno dei più promettenti. Ciononostante, tutti i qubit soffrono del fatto che gli effetti quantistici da loro adoperati per rappresentare i dati sono estremamente suscettibili alle interferenze. Gran parte del lavoro attuale è incentrata sulla dimostrazione che piccoli gruppi di qubit possano rilevare quando si verificano errori per permettere di intervenire su di essi e correggerli.
Precedentemente quest’anno, alcuni ricercatori dell’Università della California, a Santa barbara, e Google avevano presentato un chip dotato di nove qubit superconduttori allineati ( vedi “Google rende più affidabili le componenti dei computer quantistici“). Alcuni dei qubit in quel sistema erano in grado di rilevare quando i dispositivi loro adiacenti intoppavano in un errore conosciuto come bit-flip, in cui i qubit che rappresentano gli 0 passano a un 1 o vice versa.
Nonostante tutto, i qubit soffrono anche per una seconda tipologia di errore conosciuta come inversione di fase, in cui lo stato di sovrapposizione di un qubit viene distorta. I qubit possono solamente rilevare questo errore in altri qubit se operano assieme lungo una schiera bidimensionale, spiega Jay Gambetta, capo del gruppo di ricerca per l’informatica quantistica di IBM presso il centro T.J. Watson di Yokrtown Heights, a New York.
Un documento pubblicato questa settimana spiega nel dettaglio come il chip IBM formato da quattro qubit disposti in un quadrato riesca a rilevare sia bit-flip che le inversioni di fase. In pratica, un paio di qubit controlla l’altro. Una coppia di qubit controlla la presenza di bit-flip, mentre l’altra controlla la presenza di una inversione di fase.
“Questa è una pietra miliare verso la dimostrazione di un quadrato più grande”, ha detto Gambetta. “Con l’aumentare delle dimensioni si presenteranno nuove sfide, ma i prossimi passaggi sembrano alquanto promettenti”.
Gambetta spiega che il suo team ha dovuto progettare attentamente il nuovo chip per superare i problemi di interferenza provocati dalla vicinanza dei vari qubit. Starebbero già sperimentando un chip composto da una griglia di otto qubit in un rettangolo di due per quattro, aggiunge.
Raymond Laflamme, direttore dell’istituto per l’informatica quantistica presso l’Università di Waterloo, in Canada, descrive i risultati IBM come “un’importante pietra miliare verso la creazione di processori quantistici affidabili”. La risoluzione degli errori è uno dei problemi più importanti del campo. “L’informatica quantistica promette applicazioni sorprendenti, ma è vincolata dalla fragilità dell’informazione quantistica”.
La risoluzione reale di questo problema richiederà alcuni passi in più rispetto a quelli compiuti da IBM, non solo con il rilevamento degli errori ma anche con la loro correzione. Questo processo potrà solamente essere dimostrato su griglie più grandi, spiega Laflamme.
Ciononostante, non tutti i ricercatori di informatica quantistica ritengono che qubit come quelli sviluppati da IBM, Google e altrove saranno mai in grado di operare su grandi volumi. Alcuni ricercatori di Microsoft e dei Bell Labs stanno lavorando alla creazione di un design completamente differente che dovrebbe essere meno predisposto a errori (vedi “Il qubit di Microsoft“).
(MO)
