Nuovo paradigma di calcolo quantistico

Un nuovo approccio hardware offre un nuovo paradigma di calcolo quantistico. L'uso delle interazioni quantistiche naturali consente calcoli più rapidi e robusti per l'algoritmo di Grover e molti altri

Il problema del partizionamento dei numeri (number partitioning problem - NPP) è uno dei problemi computazionali NP-completi (nondeterministic polynomial-time complete). La sua soluzione esatta definita generalmente richiede un controllo di tutte le soluzioni N candidate, che è esponenzialmente grande.

Un approccio teorico potenzialmente rivoluzionario all’hardware del calcolo quantistico evita gran parte della intricata complessità riscontrata negli attuali computer quantistici. La strategia implementa un algoritmo nelle interazioni quantistiche naturali per elaborare una varietà di problemi del mondo reale più velocemente di quanto possano fare i computer classici o i computer quantistici convenzionali basati su gate.

«La nostra scoperta elimina molti requisiti impegnativi per l’hardware quantistico», ha affermato il dottor Nikolai Sinitsyn (1), fisico teorico del Los Alamos National Laboratory. È coautore di un articolo sull’approccio pubblicato sulla rivista Physical Review A. (2). «I sistemi naturali, come gli spin elettronici dei difetti nel diamante, hanno esattamente il tipo di interazioni necessarie per il nostro processo di calcolo».

Sinitsyn spiega che «il team spera di collaborare con i fisici sperimentali anche a Los Alamos per dimostrare il loro approccio utilizzando atomi ultrafreddi. Le moderne tecnologie negli atomi ultrafreddi sono sufficientemente avanzate per dimostrare tali calcoli con circa 40-60 qubit, il che è sufficiente per risolvere molti problemi attualmente non accessibili con il calcolo classico, o binario. Un qubit è l'unità base dell'informazione quantistica, analoga a un bit nell'informatica classica».

Qubit più longevi

Invece di creare un complesso sistema di porte logiche tra un numero di qubit che devono tutti condividere l’entanglement quantistico, la nuova strategia utilizza un semplice campo magnetico per ruotare i qubit, come gli spin degli elettroni, in un sistema naturale. L'evoluzione precisa degli stati di spin è tutto ciò che serve per implementare l'algoritmo. Il professor Sinitsyn ha affermato che l’approccio potrebbe essere utilizzato per risolvere molti problemi pratici proposti per i computer quantistici.

L’informatica quantistica rimane un campo nascente ostacolato dalla difficoltà di collegare i qubit in lunghe stringhe di porte logiche e di mantenere l’entanglement quantistico richiesto per il calcolo. L’entanglement si interrompe in un processo noto come decoerenza, poiché i qubit entangled iniziano a interagire con il mondo esterno al sistema quantistico del computer, introducendo errori. Ciò avviene rapidamente, limitando il tempo di calcolo. La vera correzione degli errori non è stata ancora implementata sull’hardware quantistico.

«Il nuovo approccio si basa sull’entanglement naturale piuttosto che su quello indotto, quindi richiede meno connessioni tra i qubit. Ciò riduce l’impatto della decoerenza. Pertanto, i qubit vivono relativamente a lungo», ha detto Sinitsyn.

L'articolo teorico del team di Los Alamos ha mostrato come l'approccio potrebbe risolvere un problema di partizionamento dei numeri utilizzando l'algoritmo di Grover più velocemente dei computer quantistici esistenti. Essendo uno degli algoritmi quantistici più conosciuti, consente ricerche non strutturate di grandi set di dati che divorano le risorse informatiche convenzionali. «Ad esempio - ha affermato Sinitsyn - l'algoritmo di Grover può essere utilizzato per dividere equamente il tempo di esecuzione delle attività tra due computer, in modo che finiscano nello stesso momento, insieme ad altri lavori pratici. L'algoritmo è particolarmente adatto ai computer quantistici idealizzati e con correzione degli errori, sebbene sia difficile da implementare sulle macchine odierne soggette a errori».

Protetto contro gli errori

I computer quantistici sono costruiti per eseguire calcoli molto più velocemente di quanto possa fare qualsiasi dispositivo classico, ma finora è stato estremamente difficile realizzarli, ha detto Sinitsyn. Un computer quantistico convenzionale implementa circuiti quantistici: sequenze di operazioni elementari con diverse coppie di qubit.

I teorici di Los Alamos hanno proposto un'alternativa intrigante.

«Abbiamo notato che per molti famosi problemi computazionali è sufficiente avere un sistema quantistico con interazioni elementari, in cui solo un singolo spin quantistico - realizzabile con due qubit - interagisce con il resto dei qubit computazionali», ha detto Sinitsyn. «Quindi un singolo impulso magnetico che agisce solo sullo spin centrale implementa la parte più complessa dell’algoritmo quantistico di Grover». Chiamata oracolo di Grover, questa operazione quantistica indica la soluzione desiderata.

«Nel processo non sono necessarie interazioni dirette tra i qubit computazionali né interazioni dipendenti dal tempo con lo spin centrale», ha affermato. «Una volta impostati gli accoppiamenti statici tra lo spin centrale e i qubit, l’intero calcolo consiste solo nell’applicare semplici impulsi di campo esterno dipendenti dal tempo che ruotano gli spin», ha detto.

È importante sottolineare che il team ha dimostrato che tali operazioni possono essere effettuate rapidamente. Il team ha anche scoperto che il loro approccio è topologicamente protetto. Cioè, è resistente a molti errori nella precisione dei campi di controllo e di altri parametri fisici anche senza correzione dell’errore quantistico.

Il progetto è stato finanziato dal Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research dal Laboratory Directed Research e il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio presso il Los Alamos National Laboratory.

LA-UR-23-29314

Riferimenti:

(1) Nikolai Sinitsyn

(2) Topologically protected Grover's oracle for the partition problem

Descrizione foto: Creazione grafica. - Credit: Redazione ECplanet.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Novel hardware approach offers new quantum-computing paradigm