Comprendere i Qubit – Scoperte sul Teletrasporto e sull’Interazione Controllata

Molto sta accadendo nel mondo del calcolo quantistico. Il gigante dei chip Nvidia (NVDA ) ha lanciato una piattaforma open-source CUDA-Q per accelerare gli sforzi di calcolo quantistico, mentre la Cina ha creato il suo più grande chip di calcolo quantistico. Poi ci sono gli scienziati dell’Università di Manchester che hanno sviluppato silicio ultra-puro che apre la strada ai computer di nuova generazione.

Tutto questo entusiasmo e sviluppo intorno ai computer quantistici ha senso, dato che la tecnologia ha un potenziale immenso in vari settori, tra cui la crittografia, la scoperta di farmaci, la risoluzione di complessi problemi di ottimizzazione, il potenziamento degli algoritmi di apprendimento automatico e molto altro.

I computer quantistici possono ottenere tutto ciò sfruttando la teoria quantistica, che descrive il comportamento e la natura della materia e dell’energia a livello atomico e anche più piccolo, subatomico. Il calcolo quantistico utilizza particelle subatomiche come fotoni ed elettroni. I qubit (bit quantistici) permettono a queste particelle di esistere in più stati simultaneamente e vengono manipolati da dispositivi di controllo.

Per gestire velocità esponenzialmente più rapide rispetto al tuo computer tradizionale consumando meno energia, i computer quantistici usano la sovrapposizione e l’entanglement.

La sovrapposizione consiste nell’aggiungere due o più stati quantistici per crearne un altro stato quantistico valido. La sovrapposizione dei qubit consente ai computer quantistici di elaborare milioni di operazioni simultaneamente.

L’entanglement si verifica quando due sistemi sono collegati in modo che conoscere lo stato di uno fornisca immediatamente la conoscenza dell’altro.Questo consente ai computer quantistici di risolvere problemi complessi a una velocità elevata.

Il problema qui è la decoerenza, che è la perdita dello stato quantistico in un qubit a causa di fattori come radiazione, vibrazioni o variazioni di temperatura.Questo causa errori nel calcolo. Per proteggere i qubit dalle interferenze, essi vengono posti in camere a vuoto, isolamento e frigoriferi superraffreddati.

Come abbiamo visto, i qubit svolgono un ruolo critico nella realizzazione del calcolo quantistico, ma non tutto è noto su di essi. Tuttavia, due recenti esperimenti indipendenti hanno ampliato la nostra comprensione dei qubit, segnando un passo importante verso la costruzione di un computer quantistico funzionale.

Teletrasporto Quantistico Raggiunto

Una nuova ricerca ha raggiunto con successo il teletrasporto quantistico nonostante tutto il rumore che tipicamente interrompe il trasferimento dello stato quantistico. Nel teletrasporto, un qubit viene trasferito da una posizione all’altra senza inviare la particella stessa.

In teoria, il trasferimento dello stato quantistico può essere effettuato senza alcun problema, ma nel mondo reale, le interruzioni e i rumori degradano la qualità del teletrasporto quantistico. Quindi, i ricercatori nello studio più recente hanno scoperto che ottenere un teletrasporto quantistico perfetto nonostante il rumore è una grande impresa.

Pubblicato sulla rivista Science Advances, il studio parla di come l’entanglement e la decoerenza siano forze contrarie in molti protocolli e tecnologie quantistiche.

Asecondo la ricerca, l’entanglement quantistico che si verifica in correlazioni che si estendono su distanze arbitrariamente lunghe è molto significativo per le fondamenta della meccanica quantistica. Ha molte applicazioni nell’elaborazione delle informazioni e nella comunicazione. Tuttavia, le interazioni tra un sistema quantistico e il suo ambiente sono inevitabili, e la decoerenza può degradare gravemente le prestazioni di queste applicazioni.

Mentre esistono molti promettenti protocolli di soppressione della decoerenza con lavori recenti che sfruttano sottospazi privi di decoerenza, disaccoppiamento dinamico, codici di correzione d’errore quantistici, feedback quantistico coerente ritardato e ingegneria di serbatoi con sottosistemi ausiliari, evitare la decoerenza è estremamente impegnativo nella pratica.

Come tale, lo studio ha proposto un protocollo efficiente per il teletrasporto quantistico in presenza di decoerenza assoluta.

Lo studio condotto da ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, Hefei, e dell’Università di Turku, Finlandia, ha utilizzato l’entanglement ibrido multipartito tra i qubit ausiliari e i loro ambienti locali nel contesto di un sistema quantistico aperto, consentendo di raggiungere alta precisione.

Secondo i ricercatori, l’ottica lineare è una piattaforma particolarmente robusta per eseguire diversi protocolli di informazione quantistica e studiare problemi con la decoerenza.

Il lavoro in questo studio, secondo Jyrki Piilo, professore dell’Università di Turku, utilizza il concetto di entanglement distribuito. Questa distribuzione di entanglement va oltre i qubit utilizzati e viene effettuata prima di operare il protocollo. Questo significa \”sfruttare l’entanglement ibrido tra diverse componenti fisiche\”, ha detto Piilo.

Tradizionalmente, la polarizzazione dei fotoni è stata usata per entanglement dei qubit nel teletrasporto. Tuttavia, il nuovo approccio sfrutta l’entanglement ibrido tra la polarizzazione dei fotoni e la frequenza.

Questo porta un grande cambiamento nel modo in cui il rumore influenza il protocollo. La scoperta, infatti, \”inverte il ruolo del rumore da dannoso a benefico per il teletrasporto\”, ha dichiarato Piilo.

Tradizionalmente, il protocollo di teletrasporto non funziona quando non c’è solo rumore durante l’entanglement dei qubit ma anche quando l’entanglement ibrido è presente inizialmente senza alcun rumore. Al contrario, quando si ha entanglement ibrido e poi si aggiunge rumore, sia il teletrasporto sia il trasferimento dello stato quantistico avvengono quasi perfettamente.

In questo modo, la più recente scoperta consente un teletrasporto quasi ideale nonostante il rumore associato all’uso dei fotoni.

I ricercatori definiscono questo un \”esperimento di prova di principio significativo\”, con il dott. Zhao-Di Liu dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, Hefei che osserva:

“Mentre abbiamo condotto numerosi esperimenti su diversi aspetti della fisica quantistica con i fotoni nel nostro laboratorio, è stato molto emozionante e gratificante vedere questo esperimento di teletrasporto molto impegnativo completato con successo \””

Lo studio ha osservato che, oltre a combattere la decoerenza, l’entanglement ibrido ha anche contribuito a introdurre un ulteriore livello di sicurezza. Lo studio afferma:

“Sarebbe una interessante linea di ricerca futura indagare quanto in profondità l’informazione teletrasportata possa essere nascosta.\” 

È solo l’inizio, con lo studio che ha un’importanza fondamentale nell’aprire nuove strade per lavori futuri nei protocolli quantistici avendo questo come ricerca di base. Un modo in cui la tecnica può essere applicata è nel trasferimento di stato al di fuori del teletrasporto quantistico e oltre i sottospazi privi di decoerenza.

La ricerca apre anche la possibilità di vedere se la decoerenza può essere invertita in altre piattaforme fisiche, inclusi diversi fonti di rumore.

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Realizzare un Gate a Due Qubit in un Transistor al Silicio Convenzionale

L’altro studio, che è stato condotto da ricercatori della più antica università della Svizzera, l’Università di Basilea, in collaborazione con quelli del National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, ha raggiunto una svolta ottenendo un’interazione controllabile tra due qubit di spin di buco in un transistor al silicio tradizionale.

Pubblicato su Nature, lo studio, che ha ricevuto finanziamenti ad accesso aperto dall’Università di Basilea, ha osservato che i qubit di spin semiconduttori offrono il potenziale di impiegare la tecnologia dei transistor industriali per produrre computer quantistici su larga scala.

Perché un computer quantistico esegua calcoli, ha bisogno di “gate quantistici”, che sono operazioni che manipolano i qubit e li accoppiano tra loro. I ricercatori nello studio più recente sono stati in grado non solo di accoppiare due qubit ma anche di provocare un’inversione controllata di uno dei loro spin, che dipende dallo stato di spin dell’altro. L’accoppiamento dipende dall’interazione di scambio dei due qubit di spin.

“Gli spin di buco ci permettono di creare gate a due qubit sia rapidi che ad alta fedeltà. Questo principio ora rende anche possibile accoppiare un numero maggiore di coppie di qubit.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

I ricercatori hanno già dimostrato qualche anno fa che gli spin di buco in un dispositivo elettronico esistente possono essere intrappolati e usati come qubit. Ora, Kuhlmann ha guidato questo team di fisici di Basilea al successo nella realizzazione di un’interazione tra due qubit che può essere controllata.

Mentre i qubit in questione beneficiano di essere controllabili elettricamente e di avere punti ottimali per annullare carica e rumore, dimostrare un’interazione a due qubit è stato impegnativo.

Un fattore mancante, secondo lo studio, è stata la comprensione del accoppiamento di scambio durante una forte interazione spin-orbita. Per affrontare ciò, gli scienziati hanno studiato due qubit di spin di buco in un silicio “FinFET” o transistor a effetto di campo a alette. Il accoppiamento spin-orbita significa che lo stato di spin di un buco è influenzato dal suo movimento nello spazio.

Quindi, i qubit di spin di quantum dot (QD) semiconduttori sono considerati come i più adatti per le future implementazioni di circuiti quantistici su larga scala. Tuttavia, anche il processore quantistico basato su spin più avanzato attualmente consente il controllo universale di sei qubit di spin elettronico in silicio (Si). Questo è seguito da vicino da una dimostrazione a quattro qubit con buchi in germanio.

Per lo studio, i ricercatori hanno usato un qubit che utilizza lo spin di un elettrone o di un buco. Sia gli elettroni che i buchi hanno spin e assumono lo stato su o giù.

Gli spin di buco, rispetto agli spin di elettrone, possono essere controllati completamente elettricamente senza la necessità di degenerazione orbitale o componenti aggiuntivi come micromagneti integrati, che aggiungono complessità all’equazione. Questo è dovuto alla loro intrinseca interazione spin-orbita (SOI). I buchi beneficiano inoltre di una ridotta interazione iperfina e dell’assenza di una valle.

Come tale, lo studio dimostra la capacità di controllare elettricamente lo scambio e di eseguire un’inversione di spin condizionale in 24 ns. L’Hamiltoniano di scambio non ha più la forma di Heisenberg e può essere progettato per abilitare gate di rotazione controllata a due qubit senza sacrificare velocità per accuratezza o viceversa. Secondo la ricerca:

“Questo comportamento ideale si applica su un’ampia gamma di orientamenti del campo magnetico, rendendo il concetto robusto rispetto a variazioni da qubit a qubit, indicando che è un approccio adatto per realizzare un computer quantistico su larga scala.”

Questo studio suggerisce il potenziale di disporre milioni di qubit di spin di buco su un unico chip. Il suo approccio mostra anche una grande possibilità per lo sviluppo di un computer quantistico su larga scala.

Sono necessari miglioramenti futuri nella fabbricazione dei dispositivi per ridurre la variabilità. Quando combinati con punti ottimali di rotazione controllata (CROT) robusti, questi progressi “renderanno le operazioni di gate a due qubit con scambio anisotropico altamente attraenti per array di qubit su larga scala”.

I progressi della ricerca, se combinati con lettura veloce e operazione sopra 1 K, possono consentire al FinFET di essere usato come processore quantistico universale disposto su un chip utilizzato nell’elettronica di controllo classica.

Aziende Coinvolte nello Sviluppo dei Computer Quantistici

Ora, diamo un’occhiata alle aziende che lavorano attivamente sui computer quantistici:

#1. IBM

IBM è stata leader nella ricerca sul calcolo quantistico per molti anni e ha sviluppato IBM Q System One, il primo computer quantistico commerciale basato su circuiti. L’azienda fornisce accesso ai suoi sistemi quantistici tramite la piattaforma IBM Quantum Experience.

All’inizio di questo mese, IBM ha presentato il suo processore quantistico da oltre 1.000 qubit, Condor, e il suo processore su scala di utilità IBM Quantum Heron con 133 qubit. Ha anche annunciato il lancio di un computer quantistico modulare, Quantum System Two. Nel frattempo, attraverso lo stack software Qiskit, IBM mira a rendere lo sviluppo del calcolo quantistico ampiamente accessibile.

Quest’anno, il laboratorio nazionale di ricerca giapponese RIKEN ha annunciato che distribuirà il processore quantistico di IBM e l’architettura del computer quantistico per l’integrazione con il supercomputer Fugaku.

La ricerca recente dell’azienda nel campo include comunque:

• Memoria quantistica tollerante ai guasti ad alta soglia e a basso overhead.
• Codifica di uno stato magico con una fedeltà superiore al punto di pareggio.
• Simulazione di catene di spin quantistici di grandi dimensioni su computer quantistici superconduttori basati su cloud.

Al momento della stesura, le azioni dell’azienda sono quotate a $167,36, in rialzo del 2,33% YTD, mentre la sua capitalizzazione di mercato è di $153,73 miliardi. IBM ha riportato un fatturato (TTM) di $62,07 miliardi, EPS (TTM) di 9,19 e P/E (TTM) di 18,22. Il rendimento del dividendo è del 3,99%.

Durante il recente rapporto finanziario del Q1 2024, IBM ha visto il suo fatturato aumentare dell’1,5% su base annua durante il trimestre a $14,5 miliardi e un flusso di cassa libero di $1,9 miliardi. L’azienda osserva che la sua “solida crescita di fatturato e flusso di cassa libero” riflette la forza della sua strategia cloud e AI.

#2. Google 

Nel mondo del calcolo quantistico, Google ha compiuto progressi con il suo laboratorio Quantum AI, che lavora sia sull’hardware che sul software. Alcuni anni fa, la divisione ha lanciato Sycamore, un processore quantistico da 53 qubit. Attualmente, l’hardware del gigante tecnologico è focalizzato sui qubit superconduttori mentre il suo avanzato stack software esplora il potere del calcolo quantistico.

Un paio di mesi fa, Google ha lanciato una competizione globale pluriennale per trovare casi d’uso reali del calcolo quantistico con un premio di $5 milioni, che sarà suddiviso tra i finalisti. Google ha osservato a marzo:

“Mentre ci sono molte ragioni per essere ottimisti sul potenziale del calcolo quantistico, siamo ancora in parte all’oscuro sull’intera portata di come, quando e per quali problemi reali questa tecnologia dimostrerà di essere più trasformativa.”

La recente ricerca dell’azienda in questo campo include la soppressione degli errori quantistici scalando un qubit logico a codice di superficie, transizione di fase nel campionamento di circuiti casuali, e entanglement e teletrasporto indotti da misurazione su un processore quantistico rumoroso.

Al momento della stesura, le azioni dell’azienda sono quotate a $107,48, in rialzo del 21,94% YTD, mentre la sua capitalizzazione di mercato è di $2,12 trilioni. Google ha riportato un fatturato (TTM) di $218,14 miliardi con un EPS (TTM) di 6,52 e un P/E (TTM) di 26/13. Paga un rendimento del dividendo dello 0,47%.

Per i risultati del 1Q24, l’azienda ha segnalato un aumento del 13% del fatturato a $86,3 miliardi, un utile netto di $20,28 miliardi e il primo dividendo di $20 per azione nella storia. Nella primavera del 2024, la sua capitalizzazione di mercato ha raggiunto un nuovo traguardo di $2 trilioni, rendendola la quarta azienda pubblica più preziosa al mondo.

Conclusione

C’è stata una corsa per costruire un computer quantistico funzionale, per la quale i ricercatori si concentrano sulla comprensione dei qubit e sul lavoro con diverse tecnologie di qubit. I qubit sono la base del computer quantistico poiché gestiscono tutta l’elaborazione, il trasferimento e l’archiviazione dei dati. Pertanto, tutta la ricerca è avvenuta intorno ai qubit, inclusi gli ultimi due trattati qui, che mirano ad aiutare nella costruzione di un computer quantistico pratico.

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