I bit quantistici (qubit) in un computer quantistico fungono da unità di calcolo e memoria allo stesso tempo. Poiché le informazioni quantistiche non possono essere copiate, non possono essere archiviate in una memoria come in un computer classico. A causa di questa limitazione, tutti i qubit in un computer quantistico devono essere in grado di interagire tra loro. Questa è attualmente ancora una sfida importante per la costruzione di potenti computer quantistici. Nel 2015, il fisico teorico Wolfgang Lechner, insieme a Philipp Hauke e Peter Zoller, ha affrontato questa difficoltà e ha proposto una nuova architettura per un computer quantistico, ora chiamato architettura LHZ in onore degli autori.
“Questa architettura è stata originariamente progettata per problemi di ottimizzazione”, ricorda Wolfgang Lechner del Dipartimento di Fisica Teorica dell’Università di Innsbruck, Austria. “Nel processo, abbiamo ridotto l’architettura al minimo per risolvere questi problemi di ottimizzazione nel modo più efficiente possibile”. I qubit fisici in questa architettura non rappresentano i singoli bit ma codificano il coordinamento relativo tra i bit. “Ciò significa che non tutti i qubit devono più interagire tra loro”, spiega Wolfgang Lechner. Con il suo team, ha ora dimostrato che questo concetto di parità è adatto anche per un computer quantistico universale.
I computer di parità possono eseguire operazioni tra due o più qubit su un singolo qubit. “I computer quantistici esistenti implementano già tali operazioni molto bene su piccola scala”, spiega Michael Fellner del team di Wolfgang Lechner. “Tuttavia, con l’aumento del numero di qubit, diventa sempre più complesso implementare queste operazioni di gate”. In due pubblicazioni in Physical Review Letters e Physical Review A, gli scienziati di Innsbruck ora mostrano che i computer di parità possono, ad esempio, eseguire trasformazioni quantistiche di Fourier — un elemento fondamentale di molti algoritmi quantistici — con un numero significativamente inferiore di passaggi di calcolo e quindi più rapidamente. “L’elevato parallelismo della nostra architettura significa che, ad esempio, il noto algoritmo Shor per la fattorizzazione dei numeri può essere eseguito in modo molto efficiente”, spiega Fellner.
Il nuovo concetto offre anche una correzione degli errori efficiente in termini di hardware. Poiché i sistemi quantistici sono molto sensibili ai disturbi, i computer quantistici devono correggere gli errori continuamente. È necessario dedicare risorse significative alla protezione delle informazioni quantistiche, che aumentano notevolmente il numero di qubit richiesti. “Il nostro modello funziona con una correzione dell’errore in due fasi, un tipo di errore (errore di rotazione del bit o errore di fase) è prevenuto dall’hardware utilizzato”, affermano Anette Messinger e Kilian Ender, anch’essi membri del team di ricerca di Innsbruck. Esistono già approcci sperimentali iniziali per questo su piattaforme diverse. “L’altro tipo di errore può essere rilevato e corretto tramite il software”, affermano Messinger ed Ender. Ciò consentirebbe di realizzare una prossima generazione di computer quantistici universali con uno sforzo gestibile.
La ricerca presso l’Università di Innsbruck è stata sostenuta finanziariamente dal Fondo scientifico austriaco FWF e dall’Agenzia austriaca per la promozione della ricerca FFG.
