Il quantum computing un passo più vicino alla realtà sfruttando gli oscillatori armonici

La corsa al computer quantistico è stata intensa per alcuni anni, con la scoperta di farmaci, la scienza dei materiali, l’ottimizzazione, l’apprendimento automatico e la crittografia solo alcune delle aree che saranno rivoluzionate dai suoi progressi.

Ma nonostante tutti i progressi, la costruzione di computer quantistici in grado di risolvere problemi del mondo reale è stata ostacolata da tre grandi sfide: 

• Stati quantistici fragili
• Scalare mantenendo il controllo
• Preservare la coerenza

Ora, un team dell’Università di Tecnologia di Chalmers in Svezia ha compiuto un passo significativo nell’affrontare queste sfide e accelerare lo sviluppo di computer quantistici pratici. Hanno pubblicato di recente un nuovo metodo sul giornale Nature per manipolare l’informazione quantistica usando una non linearità regolabile nei circuiti superconduttori. Questo consente di eseguire operazioni complesse su stati quantistici multidimensionali più velocemente e con maggiore precisione che mai.

Costruire Computer Quantistici Pratici

Al centro del quantum computing c’è il bit quantistico, o qubit, l’unità fondamentale dell’informazione quantistica. A differenza dei bit classici, che sono 0 o 1, i qubit possono essere sia 0 che 1 e tutto ciò che sta in mezzo. I qubit possono anche essere intrecciati tra loro, permettendo ai computer quantistici di eseguire alcuni calcoli molto più velocemente dei computer classici. 

Tuttavia, raggiungere questa capacità è stato una sfida significativa. Uno dei problemi più grandi è la fragilità degli stati quantistici. I qubit sono sensibili al loro ambiente e perdono rapidamente le loro proprietà quantistiche attraverso la decoerenza, introducendo errori nella computazione quantistica e limitando la profondità dei calcoli.

Un altro problema importante è la scalabilità. Man mano che vengono aggiunti più qubit a un processore quantistico, diventa più difficile controllare le interazioni tra loro e implementare le porte quantistiche. Questo perché i sistemi di controllo e il cross‑talk tra i qubit diventano più complessi.

E c’è un compromesso tra coerenza e controllabilità. Le tecniche che rendono i qubit più coerenti, come i codici di correzione degli errori, richiedono più risorse e limitano alcune operazioni. I sistemi che hanno più controllo sui singoli qubit, come gli ioni intrappolati o i circuiti superconduttori, sono più rumorosi e più soggetti alla decoerenza.

“Pensa a un qubit come a una lampada blu che, meccanicamente quantistica, può essere accesa e spenta simultaneamente. Al contrario, un sistema quantistico a variabile continua è come un arcobaleno infinito, offrendo una sfumatura continua di colori. Questo illustra la sua capacità di accedere a un numero vasto di stati, fornendo possibilità molto più ricche rispetto ai due stati del qubit.” 

– Axel Eriksson, ricercatore in tecnologia quantistica all’Università di Tecnologia di Chalmers e autore principale dello studio

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Nonlinearità Regolabili nei Circuiti Superconduttori

Il team dell’Università di Chalmers, guidato dai dott. Axel M. Eriksson e Simone Gasparinetti, ha risolto questi problemi utilizzando circuiti superconduttori. Hanno sviluppato un componente speciale chiamato risonatore SNAIL (Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement).

I SNAIL sono elementi di circuito superconduttori con una forte non linearità regolabile. È un anello superconduttore con giunzioni Josephson, sottili barriere isolanti che permettono alle coppie di Cooper (coppie legate di elettroni) di tunnellare. Disposti le giunzioni in modo asimmetrico, hanno creato un elemento di circuito con induttanza non lineare.

“Abbiamo realizzato un sistema che esegue operazioni complesse su un sistema quantistico a più stati più velocemente che mai.” 

– Autrice senior Dott.ssa Simone Gasparinetti, responsabile del 202Q‑lab all’Università di Chalmers

La cosa chiave che il team di Chalmers ha fatto è stata inserire un risonatore SNAIL all’interno di una cavità microonde superconduttrice, che è una modalità bosonica per codificare l’informazione quantistica. Hanno applicato impulsi microonde a questo sistema ibrido e attivato e disattivato la non linearità nel SNAIL per eseguire tutti i tipi di operazioni quantistiche in modo rapido e preciso.

Computazione Quantistica a Variabile Continua

Una delle caratteristiche uniche dell’approccio del team di Chalmers è che va oltre il paradigma del qubit e utilizza stati quantistici a variabile continua (CV).

In un sistema quantistico CV, l’informazione è codificata nelle quadrature di ampiezza e fase di un oscillatore armonico, come il campo di una cavità microonde. Quelle quadrature possono assumere un intervallo continuo di valori, non solo 0 e 1 come i qubit.

Secondo l’autrice senior Dott.ssa Simone Gasparinetti, responsabile del 202Q‑lab all’Università di Chalmers:

“Abbiamo creato un sistema che consente operazioni estremamente complesse su un sistema quantistico a più stati, a una velocità senza precedenti.” 

L’approccio CV ha vantaggi rispetto al calcolo quantistico a variabile discreta. (i) In primo luogo, una singola modalità CV può codificare l’equivalente di più qubit, il che significa meno hardware per il calcolo quantistico tollerante agli errori. (ii) In secondo luogo, la natura dei stati CV consente codici di correzione degli errori migliori, necessari per il calcolo quantistico in presenza di rumore e decoerenza.

Tuttavia, un grosso problema nella computazione quantistica CV sono le operazioni non-gaussiane, necessarie per il calcolo quantistico universale. Le operazioni gaussiane come lo spostamento e la compressione (squeezing) dello stato dell’oscillatore possono essere eseguite con elementi ottici lineari o circuiti microonde, ma ciò non è sufficiente per un’accelerazione quantistica perché può essere simulato classicamente.

Le operazioni non-gaussiane richiedono interazioni non lineari, molto più difficili da realizzare e controllare. Tentativi precedenti di combinare modalità CV con elementi non lineari sono stati ostacolati dall’effetto Kerr, che disturba l’informazione quantistica e riduce la fedeltà dell’operazione.

Il team di Chalmers ha risolto questo ingegnerizzando la non linearità all’interno del risonatore SNAIL. Operano il SNAIL in un punto cosiddetto “Kerr‑free”, dove la non linearità Kerr indesiderata è soppressa, e la non linearità di terzo ordine necessaria per le operazioni non-gaussiane è preservata.

“La nostra comunità ha spesso cercato di tenere gli elementi superconduttori lontani dagli oscillatori quantistici, per non disturbare gli stati quantistici fragili. In questo lavoro, abbiamo sfidato questo paradigma. Inserendo un dispositivo di controllo al centro dell’oscillatore siamo riusciti a evitare di disturbare i numerosi stati quantistici, pur potendo controllarli e manipolarli. Di conseguenza, abbiamo dimostrato un nuovo insieme di operazioni di porta eseguite a velocità molto elevata.” 

– Simone Gasparinetti

Un Set Universale di Porte

Per dimostrare ciò che possono fare, hanno realizzato un set universale di porte sulla loro piattaforma a risonatore SNAIL. Questo include porte gaussiane come lo spostamento e lo squeezing e una porta di fase cubica, che è non-gaussiana.

Le porte gaussiane sono state realizzate applicando impulsi microonde a frequenze specifiche al circuito SNAIL. Guidare alla frequenza fondamentale produce lo spostamento, e guidare a due volte la frequenza fondamentale produce lo squeezing. Questo serve per preparare e manipolare stati coerenti e squeezati, che sono i mattoni per l’elaborazione dell’informazione quantistica CV.

La porta di fase cubica è stata realizzata combinando un’interazione “trisqueezing” (guidando a tre volte la frequenza fondamentale) con impulsi a frequenze più basse. Questo applica uno spostamento di fase non lineare allo stato dell’oscillatore proporzionale al cubo dell’ampiezza, da cui il nome “fase cubica”.

La porta di fase cubica è necessaria per il calcolo quantistico CV universale perché genera stati altamente non classici come gli stati Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP), utili per la correzione di errore quantistica tollerante. La porta di fase cubica insieme alle porte gaussiane produce uno stato non-gaussiano deterministico chiamato “stato di fase cubica”.

Le porte realizzate dal team di Chalmers sono state generate con impulsi di durata di pochi decine di nanosecondi. Questo è 10‑100 volte più veloce rispetto alle implementazioni precedenti con accoppiamenti dispersivi qubit‑oscillatore. Ciò è dovuto alla forte non linearità nel risonatore SNAIL.

Preparazione Deterministica dello Stato di Fase Cubica

Un altro esempio è il team di Chalmers che utilizza il loro set universale di porte per creare uno stato quantistico altamente non classico chiamato stato di fase cubica. Gli stati di fase cubica sono necessari per la correzione di errore quantistica, la metrologia quantistica e il calcolo quantistico basato su misure CV.

La preparazione dello stato di fase cubica è stata realizzata applicando porte allo stato fondamentale (vuoto) del risonatore SNAIL. Prima è stata applicata una porta di squeezing di 20 ns per creare uno stato di vuoto squeezato. Poi è stata applicata una porta di fase cubica di 40 ns a quello stato squeezato, e voilà, uno stato di fase cubica con una cubicità di 0,11.

Lo stato è stato caratterizzato con tomografia di Wigner, che produce una distribuzione nello spazio di fase dello stato quantistico. La funzione di Wigner era fortemente negativa, il che è non classico e non può essere osservato in alcuno stato di oscillatore classico.

La fedeltà dello stato di fase cubica rispetto allo stato target era del 92%. Hanno mostrato che la cubicità dello stato può essere aumentata semplicemente estendendo la durata della porta di fase cubica. Questo è molto migliore rispetto ai metodi di preparazione precedenti, che richiedevano una completa ri‑ottimizzazione della sequenza di controllo per ogni valore di cubicità.

Spazio per Miglioramenti e Lavori Futuri

Anche se ciò che il team di Chalmers ha realizzato è già encomiabile, c’è ancora molto da fare:

Risonatore SNAIL

Una limitazione delle operazioni quantistiche è il tempo di coerenza del risonatore SNAIL. Hanno tempi di coerenza di pochi microsecondi, sufficienti per ora, ma tempi più lunghi permetterebbero circuiti quantistici più complessi e più profondi. Ottimizzare i parametri del circuito SNAIL per ridurre il rumore di flusso e schermare e filtrare l’ambiente microonde sono modi per migliorare la coerenza.

Ciò include:

• Tempo di coerenza del risonatore SNAIL (alcuni microsecondi sono sufficienti per ora, ma tempi più lunghi consentiranno circuiti più complessi)
• Ottimizzare i parametri del circuito SNAIL per ridurre il rumore di flusso
• Schermare e filtrare l’ambiente microonde

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Scalabilità

Un’altra area da migliorare è la scalabilità. L’esperimento è stato eseguito con un solo SNAIL, ma un computer quantistico su larga scala richiede più SNAIL. Per scalare, si potrebbero utilizzare più SNAIL, ognuno collegato alla propria cavità microonde. Questa configurazione permette la creazione di porte multi‑qubit e stati intrecciati progettando il collegamento tra le cavità. Tuttavia, ciò richiede un controllo sulla fabbricazione e la sintonizzazione dei SNAIL affinché siano omogenei e riproducibili.

• Scalabilità (un SNAIL ora, ma un computer quantistico su larga scala ne richiede più di uno)
• Una matrice di SNAIL, ciascuno con la propria cavità microonde
• Porte multi‑qubit e stati intrecciati attraverso la matrice mediante accoppiamento tra le cavità
• Controllo sulla fabbricazione e sintonizzazione dei SNAIL per renderli omogenei e riproducibili

Oltre a scalare il numero di modalità CV, dobbiamo anche aumentare il numero di fotoni in ciascuna modalità. La non linearità del risonatore SNAIL devia dal suo comportamento ideale a numeri di fotoni più alti, il che limita la dimensione dello spazio di Hilbert computazionale. 

Un modo per risolvere ciò è utilizzare un design multi‑SNAIL in cui la non linearità di ciascun SNAIL è ingegnerizzata per annullarsi a ordini superiori mantenendo le interazioni di ordine inferiore.

Altri possibili avanzamenti includono:

• Più modalità CV
• Più fotoni in ogni modalità
• La non linearità nel risonatore SNAIL lo fa deviare dal comportamento ideale a numeri di fotoni più alti
• Limita la dimensione dello spazio di Hilbert computazionale
• Design multi‑SNAIL: la non linearità di ciascun SNAIL si annulla a ordini superiori preservando le interazioni di ordine inferiore

Guardando al futuro, il team di Chalmers vuole integrare la loro piattaforma a risonatore SNAIL con altre architetture di calcolo quantistico per creare sistemi ibridi. Per esempio, le interazioni mediate da SNAIL possono essere usate per intrecciare qubit superconduttori e modalità CV per creare stati multi‑qubit complessi. Le porte CV rapide ed efficienti di questo lavoro possono essere usate per la correzione di errore quantistica su qubit codificati, rendendo i processori quantistici più robusti e scalabili.

Una prospettiva entusiasmante è integrare la piattaforma a risonatore SNAIL con sistemi quantistici ottici. I circuiti superconduttori sono ottimi per il calcolo quantistico, operano a frequenze microonde e temperature criogeniche. Al contrario, i sistemi quantistici ottici, che funzionano a temperatura ambiente, sono ideali per la comunicazione quantistica a lunga distanza. Sviluppando un convertitore di frequenza quantistica, possiamo combinare il meglio di entrambi i mondi per creare un computer quantistico scalabile e in rete.

Conclusioni

Ciò che il team di Chalmers ha raggiunto è un importante progresso per i computer quantistici pratici. Hanno usato la non linearità regolabile nei circuiti superconduttori per sviluppare un computer quantistico hardware‑efficiente e controllabile, capace di eseguire rapidamente e con precisione operazioni complesse su stati quantistici multidimensionali.

Questo rappresenta un nuovo paradigma nella computazione CV‑NISQ. I risonatori SNAIL possono risolvere problemi difficili in chimica quantistica, ottimizzazione e apprendimento automatico. Man mano che questa tecnologia matura e scala, aprirà applicazioni non possibili con i computer classici.

Tuttavia, costruire computer quantistici su larga scala e tolleranti agli errori presenta ancora sfide notevoli, tra cui il tempo di coerenza dei circuiti superconduttori, il numero di qubit e modalità CV, e le interfacce tra le piattaforme di calcolo quantistico.

Nonostante queste sfide, il quantum computing come scienza applicata ha fatto molta strada, e il team di Chalmers ha svolto un ruolo fondamentale nel superare le sue barriere. Hanno arricchito la cassetta degli attrezzi del quantum computing e ci hanno mostrato nuovi modi di utilizzare la meccanica quantistica. Ora, siamo un passo più vicini al quantum computing accessibile.

Man mano che teoria ed esperimenti avanzano più rapidamente, il futuro del quantum computing non è mai stato così promettente. I computer quantistici offriranno accelerazioni esponenziali per una vasta gamma di compiti computazionali in settori come la scoperta di farmaci, la progettazione di materiali, la crittografia e l’intelligenza artificiale. Uniti ai progressi in tecnologie come l’IA, questi sviluppi ci assicurano che il mondo è sull’orlo di cambiamenti trasformativi difficili da immaginare completamente.

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