Google rivela il progetto per la supremazia quantistica

La grande promessa dell'informatica quantistica è la capacità di eseguire calcoli di sbalorditiva complessità che sono ben oltre le capacità dei computer convenzionali. I fisici sanno da tempo che un computer quantistico con soli 50 qubit potrebbe superare anche i supercomputer più potenti del mondo.

Ma superare i limiti dell'informatica convenzionale - raggiungere la supremazia quantistica, come la chiamano i fisici - si è rivelato più difficile di quanto tutti si aspettassero. Gli stati quantistici sono oggetti delicati: starnutiscono e svaniscono. Per questo motivo, i fisici si sono impantanati nella sfida pratica di isolare i computer quantistici e i loro macchinari di elaborazione quantistica dal mondo esterno. Di conseguenza, la supremazia quantistica sembra più lontana che mai.

Ma potrebbe esserci un altro modo per dimostrare la supremazia quantistica che non richiede un computer quantistico generico in grado di eseguire vari algoritmi quantistici. Invece, i fisici hanno iniziato a giocare con i sistemi quantistici che possono fare solo una cosa. Se possono dimostrare che questa cosa è al di là delle capacità di qualsiasi computer convenzionale, allora avranno dimostrato per la prima volta la supremazia quantistica. Ma come questo possa essere fatto è tutt'altro che chiaro.

Oggi, Charles Neill dell'Università della California Santa Barbara e Pedram Roushan di Google affermano di sapere come si può raggiungere la supremazia quantistica e hanno dimostrato per la prima volta con successo una versione proof-of-principio della macchina. Il lavoro solleva la prospettiva che la prima dimostrazione della supremazia quantistica potrebbe essere a pochi mesi di distanza.

Prima un po' di background. Il grande vantaggio dei qubit rispetto ai bit ordinari è che possono esistere in una sovrapposizione di stati. Quindi, mentre un bit ordinario può essere 1 o 0, un qubit può essere sia 1 che 0 contemporaneamente.

Ciò significa che due qubit possono rappresentare quattro numeri contemporaneamente, tre qubit possono rappresentare otto numeri e nove qubit, 512 numeri contemporaneamente. In altre parole, la loro capacità aumenta esponenzialmente.

Ecco perché non ci vogliono molti qubit per superare le prestazioni dei computer convenzionali. Solo 50 qubit possono rappresentare 10.000.000.000.000.000 di numeri. Un computer classico richiederebbe una memoria su scala di petabyte per memorizzare quel numero.

Quindi un modo per raggiungere la supremazia quantistica è creare un sistema in grado di supportare 49 qubit in una sovrapposizione di stati. Questo sistema non ha bisogno di eseguire calcoli complessi, deve solo essere in grado di esplorare l'intero spazio di una sovrapposizione di 49 qubit in modo affidabile. Quindi l'obiettivo di Neill e Roushan è creare una sovrapposizione di 49 qubit.

È più facile dirlo che farlo. Ma il lavoro che annunciano oggi è una dimostrazione di principio.

Il loro approccio è diretto. I qubit sono oggetti quantistici che possono esistere in due stati contemporaneamente e ci sono molti modi per crearli. Ad esempio, i fotoni possono essere polarizzati sia verticalmente che orizzontalmente allo stesso tempo, i nuclei atomici possono ruotare con il loro asse sia verso l'alto che verso il basso allo stesso tempo, gli elettroni possono viaggiare lungo due percorsi contemporaneamente. I fisici stanno sperimentando tutti questi sistemi per il calcolo quantistico.

Neill e Roushan hanno scelto una strada diversa, tuttavia. Il loro sistema quantistico è un qubit superconduttore. Questo è essenzialmente un anello di metallo raffreddato a bassa temperatura. Imposta una corrente che scorre attraverso questo circuito e scorrerà per sempre, un fenomeno quantistico noto come superconduttività.

Ma questa natura quantistica porta a un trucco preciso: la corrente può fluire in una direzione e nell'altra allo stesso tempo. E questo è ciò che gli consente di agire come un qubit che può rappresentare contemporaneamente sia uno 0 che un 1.

Il grande vantaggio dei qubit superconduttori è che sono relativamente facili da controllare e misurare. Possono anche essere collegati tra loro quando diversi loop si trovano uno accanto all'altro su un chip. Questo collegamento di vicini è più difficile e richiede un altro trucco.

Il flusso di corrente in una direzione o nell'altra è solo una configurazione a bassa energia. Metti più energia e anche altri stati sono possibili. Sono questi stati di energia superiore che possono interagire tra loro, creando sovrapposizioni più grandi. In questo modo, i loop vicini possono condividere lo stesso stato molto più complesso.

L'esperimento di prova di principio che Neill, Roushan e co hanno realizzato è quello di creare un chip con nove loop vicini e mostrare che i qubit superconduttori che supportano possono rappresentare 512 numeri contemporaneamente.

Questo non è affatto vicino al numero di qubit richiesti per la supremazia quantistica, ma l'esperimento offre suggerimenti incoraggianti sul fatto che ciò sarà possibile.

La grande paura tra i fisici è che non siano solo i numeri ma anche gli errori ad aumentare esponenzialmente in questi sistemi quantistici. Se gli errori aumentano troppo rapidamente, inonderanno il sistema, rendendo impossibile la supremazia quantistica.

Il risultato chiave di questo esperimento è mostrare che gli errori non si ridimensionano rapidamente in questi chip superconduttori. Invece, il team ha mostrato che gli errori aumentano lentamente in un modo che dovrebbe consentire la sovrapposizione significativa fino a 60 qubit. Questi risultati forniscono prove promettenti che la supremazia quantistica può essere ottenuta utilizzando la tecnologia esistente, affermano i ricercatori.

È un lavoro interessante. Suggerisce chiaramente che la supremazia quantistica dovrebbe essere possibile con un chip che contiene 50 circuiti superconduttori invece di soli nove. Realizzare un chip del genere dovrebbe essere semplice, anzi, è difficile immaginare che il team non ne stia forgiando uno in questo momento.

Ma c'è un avvertimento importante. Un chip da 50 qubit sarà possibile solo se gli errori continuano a crescere nel modo in cui il team ha mostrato. E questo solleva una domanda importante. Il team ha mostrato come gli errori si ridimensionano all'aumentare del numero di qubit da cinque a nove. Ma gli errori scaleranno nello stesso modo in cui i qubit aumenteranno da nove a 50?

In caso contrario, la supremazia quantistica è ancora molto lontana. Ma se lo fanno, questa squadra spera di rivendicare la supremazia quantistica nei prossimi mesi.

Quindi questa è una domanda a cui Neill, Roushan e co lavoreranno sodo per rispondere in questo momento. Non vediamo l'ora di riferire i loro risultati.

Rif: arxiv.org/abs/1709.06678 : Un progetto per dimostrare la supremazia quantistica con i qubit superconduttori

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