Collegati processori quantistici in un sistema connesso

Gli scienziati di Oxford hanno fatto un grande salto verso il calcolo quantico su larga scala collegando con successo processori quantistici separati in un sistema completamente connesso

In una pietra miliare che avvicina in modo tangibile l'informatica quantistica all'uso pratico su larga scala, gli scienziati del Dipartimento di Fisica della Oxford University hanno dimostrato il primo esempio di informatica quantistica distribuita. Utilizzando un'interfaccia di rete fotonica, hanno collegato con successo due processori quantistici separati per formare un singolo computer quantistico completamente connesso, aprendo la strada all'affrontare sfide computazionali precedentemente irraggiungibili. I risultati sono stati pubblicati su Nature (1).

La svolta affronta il “problema di scalabilità” della tecnologia quantistica: un computer quantistico abbastanza potente da rivoluzionare il settore dovrebbe essere in grado di elaborare milioni di qubit. Tuttavia, impacchettare tutti questi processori in un singolo dispositivo richiederebbe una macchina di dimensioni immense. In questo nuovo approccio, piccoli dispositivi quantistici sono collegati tra loro, consentendo la distribuzione dei calcoli sulla rete. In teoria, non c'è limite al numero di processori che potrebbero essere nella rete.

L'architettura scalabile si basa su moduli che contengono ciascuno solo un piccolo numero di qubit di ioni intrappolati (portatori di informazioni quantistiche su scala atomica). Questi sono collegati tra loro tramite fibre ottiche e utilizzano la luce (fotoni) anziché segnali elettrici per trasmettere dati tra loro. Questi collegamenti fotonici consentono ai qubit in moduli separati di essere aggrovigliati (Enttanglement quantistico: dove due particelle, come una coppia di fotoni, rimangono correlate anche quando separate da grandi distanze. Ciò consente loro di condividere informazioni senza dover viaggiare fisicamente), consentendo alla logica quantistica di essere eseguita attraverso i moduli tramite teletrasporto quantistico (il trasferimento di informazioni quantistiche su lunghe distanze in modo quasi istantaneo, sfruttando l'entanglement).

Sebbene il teletrasporto quantistico degli stati sia già stato ottenuto in precedenza, questo studio è la prima dimostrazione del teletrasporto quantistico di porte logiche (i componenti minimi di un algoritmo) attraverso un collegamento di rete. Secondo i ricercatori, questo potrebbe gettare le basi per un futuro “internet quantistico”, in cui processori distanti potrebbero formare una rete ultra-sicura per la comunicazione, il calcolo e il rilevamento.

Il responsabile dello studio, il dottor Dougal Main (2) (Dipartimento di Fisica) ha affermato: «Le precedenti dimostrazioni del teletrasporto quantistico si sono concentrate sul trasferimento di stati quantistici tra sistemi fisicamente separati. Nel nostro studio, utilizziamo il teletrasporto quantistico per creare interazioni tra questi sistemi distanti. Adattando attentamente queste interazioni, possiamo eseguire porte quantistiche logiche, le operazioni fondamentali del calcolo quantistico, tra qubit ospitati in computer quantistici separati. Questa svolta ci consente di “collegare insieme” in modo efficace processori quantistici distinti in un singolo computer quantistico completamente connesso».

Il concetto è simile al funzionamento dei supercomputer tradizionali. Questi sono costituiti da computer più piccoli collegati tra loro per ottenere capacità maggiori di quelle di ogni singola unità. Questa strategia aggira molti degli ostacoli ingegneristici associati all'inserimento di numeri sempre maggiori di qubit in un singolo dispositivo, preservando al contempo le delicate proprietà quantistiche necessarie per calcoli accurati e robusti.

I ricercatori hanno dimostrato l'efficacia del metodo eseguendo l'algoritmo di ricerca di Grover. Questo metodo quantistico cerca un elemento particolare in un ampio set di dati non strutturato molto più velocemente di quanto possa fare un normale computer, utilizzando i fenomeni quantistici di sovrapposizione e groviglio per esplorare molte possibilità in parallelo. La sua dimostrazione di successo sottolinea come un approccio distribuito possa estendere le capacità quantistiche oltre i limiti di un singolo dispositivo, preparando il terreno per computer quantistici scalabili e ad alte prestazioni, sufficientemente potenti da eseguire calcoli in ore che i supercomputer odierni impiegherebbero molti anni a risolvere.

Il professor David Lucas (3), ricercatore principale del team di ricerca e scienziato capo per il UK Quantum Computing and Simulation Hub, guidato dal Dipartimento di Fisica, ha affermato: «Il nostro esperimento dimostra che l'elaborazione di informazioni quantistiche distribuite in rete è fattibile con la tecnologia attuale. L'aumento di scala dei computer quantistici rimane una sfida tecnica formidabile che probabilmente richiederà nuove intuizioni di fisica e un intenso sforzo ingegneristico nei prossimi anni».

Il finanziamento principale per questa ricerca è stato fornito da UKRI EPSRC, tramite UK Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, parte del National Quantum Technologies Programme del Regno Unito.

Riferimenti:

(1) Distributed quantum computing across an optical network link

(2) Dougal Main

(3) David Lucas

Descrizione foto: Il nuovo studio ha dimostrato la prima istanza di un algoritmo quantistico distribuito su più processori. - Credit: Oxford University Physics e Helen Hainzer.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: First distributed quantum algorithm brings quantum supercomputers closer