Come superare il rumore nei calcoli quantistici

I ricercatori Ludovico Lami (QuSoft, University of Amsterdam) e Mark M. Wilde (Cornell University) hanno compiuto progressi significativi nel calcolo quantistico derivando una formula che prevede gli effetti del rumore ambientale

Questo è fondamentale per progettare e costruire computer quantistici in grado di funzionare nel nostro mondo imperfetto.

Le capacità dei canali quantistici rumorosi catturano i tassi massimi di trasmissione delle informazioni attraverso le linee di comunicazione quantistica e la capacità quantistica gioca un ruolo chiave nel determinare il sovraccarico delle piattaforme di calcolo quantistico tolleranti ai guasti. Mancavano formule chiuse per queste capacità nei sistemi bosonici per una classe chiave di canali non gaussiani, i canali di sfasamento bosonici, utilizzati per modellare il rumore che interessa i circuiti superconduttori e i canali di comunicazione in fibra ottica.

La coreografia dell'informatica quantistica

Il calcolo quantistico utilizza i principi della meccanica quantistica per eseguire calcoli. A differenza dei computer classici, che utilizzano bit che possono essere 0 o 1, i computer quantistici utilizzano bit quantistici, o qubit, che possono trovarsi in una sovrapposizione di 0 e 1 contemporaneamente.

Ciò consente ai computer quantistici di eseguire determinati tipi di calcoli molto più velocemente dei computer classici. Ad esempio, un computer quantistico può fattorizzare numeri molto grandi in una frazione del tempo che impiegherebbe un computer classico.

Mentre si potrebbe ingenuamente attribuire un tale vantaggio alla capacità di un computer quantistico di eseguire numerosi calcoli in parallelo, la realtà è più complicata. La funzione d'onda quantistica del computer quantistico (che rappresenta il suo stato fisico) possiede diversi rami, ciascuno con la propria fase. Una fase può essere considerata come la posizione della lancetta di un orologio, che può puntare in qualsiasi direzione sul quadrante dell'orologio.

Al termine del calcolo, il computer quantistico ricombina in un'unica risposta i risultati di tutti i calcoli eseguiti simultaneamente su diversi rami della funzione d'onda. «Le fasi associate ai diversi rami giocano un ruolo chiave nel determinare l'esito di questo processo di ricombinazione, non diversamente da come i tempi dei passi di una ballerina giocano un ruolo chiave nel determinare il successo di uno spettacolo di balletto», spiega il dottor Ludovico Lami. (1)

Rumore ambientale dirompente

Un ostacolo significativo al calcolo quantistico è il rumore ambientale. Tale rumore può essere paragonato a un piccolo demone che altera in modo imprevedibile la fase dei diversi rami della funzione d'onda. Questo processo di manomissione della fase di un sistema quantistico è chiamato sfasamento e può essere dannoso per il successo di un calcolo quantistico.

La sfasatura può verificarsi in dispositivi di uso quotidiano come le fibre ottiche, utilizzate per trasferire informazioni sotto forma di luce. I raggi luminosi che viaggiano attraverso una fibra ottica possono prendere percorsi diversi; poiché ogni percorso è associato ad una specifica fase, non conoscere il percorso effettuato costituisce un effettivo rumore di sfasamento.

Nella loro nuova pubblicazione su Nature Photonics (2), il dottor Ludovico Lami e il dottor Mark M. Wilde (3) analizzano un modello, chiamato canale di sfasamento bosonico, per studiare come il rumore influisce sulla trasmissione di informazioni quantistiche. Rappresenta lo sfasamento che agisce su un singolo modo di luce a lunghezza d'onda e polarizzazione definite.

Il numero che quantifica l'effetto del rumore sull'informazione quantistica è la capacità quantistica, che è il numero di qubit che possono essere trasmessi in modo sicuro per uso di una fibra. La nuova pubblicazione fornisce una soluzione analitica completa al problema del calcolo della capacità quantistica del canale di sfasamento bosonico, per tutte le possibili forme di rumore di sfasamento.

I messaggi più lunghi superano gli errori

Per superare gli effetti del rumore, è possibile incorporare la ridondanza nel messaggio per garantire che le informazioni quantistiche possano ancora essere recuperate all'estremità ricevente. È come dire “Alpha, Beta, Charlie” invece di “A, B, C” quando si parla al telefono. Sebbene il messaggio trasmesso sia più lungo, la ridondanza garantisce che venga compreso correttamente.

Il nuovo studio quantifica esattamente quanta ridondanza deve essere aggiunta a un messaggio quantistico per proteggerlo dal rumore di sfasamento. Ciò è significativo perché consente agli scienziati di quantificare gli effetti del rumore sull'informatica quantistica e di sviluppare metodi per superare questi effetti.

Riferimenti:

(1) Ludovico Lami

(2) Exact solution for the quantum and private capacities of bosonic dephasing channels

(3) Mark M. Wilde

Descrizione foto: Il rumore ambientale, qui rappresentato come un piccolo demone, può influenzare lo stato di un computer quantistico cambiando le fasi di vari rami della sua funzione d'onda in modo imprevedibile; chiamiamo questo sfasamento. Qui, la posizione della lancetta dell'orologio rappresenta la fase di un particolare ramo della funzione d'onda. La sua modifica, a noi sconosciuta, influenzerà il delicato balletto della ricombinazione di fase su cui si basano i calcoli quantistici. / La luce può viaggiare attraverso una fibra ottica attraverso percorsi diversi. L'impossibilità di conoscere l'esatto percorso compiuto da un raggio di luce porta ad un effettivo sfasamento del rumore. - Credit: Ludovico Lami.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: How to overcome noise in quantum computations