Milano, Italia - 05 mag 2015: Gli esperti di IBM (NYSE: IBM) hanno superato due tappe decisive per la realizzazione di un vero computer quantistico. Per la prima volta, hanno dimostrato la possibilità di rilevare e misurare entrambi le tipologie di errori quantistici contemporaneamente, oltre a sperimentare la progettazione di un nuovo circuito quantistico quadrato, che è la sola architettura fisica in grado di raggiungere dimensioni più grandi con risultati positivi. Con il superamento della Legge di Moore, l'informatica quantistica sarà tra le invenzioni che potrebbero introdurre una nuova era di innovazione nell’industria. I computer quantistici promettono di apportare nuove funzionalità nei campi dell'ottimizzazione e della simulazione, irrealizzabili utilizzando i computer attuali. Sarebbe sufficiente un computer quantistico creato con solo 50 bit quantistici (qubit) affinchè nessuna combinazione degli attuali supercomputer TOP500 sarebbe in grado di superarlo.

Le scoperte di IBM, descritte nel numero del 29 aprile di Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms7979), mostrano per la prima volta la capacità di rilevare e misurare i due tipi di errori quantistici (bit-flip e phase-flip) che si verificano in qualsiasi computer quantistico reale. Fino a questo momento era stato possibile risolvere un tipo di errore quantistico alla volta, mai entrambi contemporaneamente. Si tratta di una fase necessaria per la correzione degli errori quantistici, requisito fondamentale per creare un computer quantistico pratico e affidabile su vasta scala.

Il circuito di nuovi bit quantistici e complessi di IBM, formato da un reticolo quadrato di quattro qubit superconduttori su un chip di circa un quarto di pollice quadrato, consente di rilevare contemporaneamente entrambi i tipi di errori quantistici. Scegliendo una struttura quadrata rispetto a una configurazione lineare - che impedisce di rilevare contemporaneamente entrambi i tipi di errori quantistici – il progetto IBM mostra il miglior potenziale di scalabilità.

"L'informatica quantistica potrebbe portare potenzialmente ad una trasformazione, dato che ci consente di risolvere problemi che oggi è impossibile o difficile risolvere", ha affermato Arvind Krishna, senior vice president e director di IBM Research. “Mentre l’uso dei computer quantistici era stato originariamente esaminato per la crittografia, un'area che troviamo estremamente interessante risiede nella loro potenziale capacità di risolvere problemi attualmente irrisolti nella fisica e nella chimica quantistica. Questo potrebbe rappresentare un enorme potenziale nella progettazione dei materiali o dei farmaci aprendo la strada verso nuovi campi di applicazione".

Nella fisica e nella chimica, ad esempio, l'informatica quantistica potrebbe consentire agli esperti di progettare nuovi materiali e composti farmaceutici senza ricorrere a prove di laboratorio costose e ad alto rischio di errore, accelerando potenzialmente la velocità e il ritmo di innovazione in molti settori.

In un mondo focalizzato sui Big Data, i computer quantistici potrebbero rapidamente ordinare e gestire database ancora più grandi, oltre ad enormi archivi di dati diversi e/o non strutturati. Questo potrebbe trasformare il processo decisionale delle persone e il modo in cui i ricercatori di tutti i settori fanno scoperte importanti.

Una delle grandi difficoltà per gli esperti che cercano di sfruttare la potenza dell'informatica quantistica è il controllo o la rimozione della decoerenza quantistica - la creazione di errori nei calcoli provocata dall'interferenza derivante da fattori quali calore, radiazione elettromagnetica e difetti nei materiali.

Il lavoro di IBM è stato finanziato in parte dal programma multi-qubit-coherent-operations di IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity).

Identificazione degli errori quantistici

L'informazione basilare che un normale computer è in grado di comprendere è il bit. Come un fascio di luce che può essere acceso o spento, un bit può avere solo uno dei due valori: "1" o "0". Un bit quantistico (qubit), tuttavia, può tenere un valore di 1 o 0 o entrambi contemporaneamente, descritti come una sovrapposizione e semplicemente indicati come "0+1". Il segno di questa sovrapposizione è importante perché entrambi gli stati 0 e 1 hanno tra loro una relazione di fase. Questa proprietà di sovrapposizione è ciò che consente ai computer quantistici di scegliere la giusta soluzione tra milioni di possibilità in una volta in modo molto più rapido rispetto a un computer convenzionale.

Su tale stato di sovrapposizione possono verificarsi due tipi di errori. Uno è chiamato errore bit-flip, che passa semplicemente uno 0 a un 1 e viceversa. Questo errore è simile ai classici errori bit-flip e i lavori svolti in precedenza hanno mostrato come rilevare questi errori sui qubit. Ciò non è tuttavia sufficiente per correggere gli errori quantistici perché possono anche essere presenti errori phase-flip, che cambiano  il segno della relazione di fase tra 0 e 1 in uno stato di sovrapposizione. Entrambi i tipi di errori devono essere rilevati in modo tale che la correzione dell'errore quantistico funzioni correttamente.

Le informazioni quantistiche sono molto delicate dato che tutte le tecnologie qubit esistenti perdono le informazioni quando interagiscono con la materia e la radiazione elettromagnetica. I teorici hanno trovato modi per conservare l’informazione più a lungo distribuendola  su molti qubit fisici. "Surface code" è il nome tecnico per lo schema di correzione di un errore specifico che distribuisce le informazioni quantistiche su molti qubit. Consente solo alle interazioni più prossime di codificare un qubit logico, rendendolo sufficientemente stabile per eseguire operazioni senza errori.

Il team IBM Research ha utilizzato diverse tecniche per misurare gli stati di due syndrome qubit (misurazione) indipendenti. Ciascuno rivela un aspetto delle informazioni quantistiche memorizzate su altri due qubit (chiamati codice, o qubit dati). In particolare, un syndrome qubit ha rivelato se un errore bit-flip si è verificato su entrambi i qubit del codice, mentre l'altro syndrome qubit ha rivelato se si è verificato un errore phase-flip. La determinazione delle informazioni quantistiche congiunte nei code qubit è una fase indispensabile per la correzione dell'errore quantistico perché la misurazione diretta dei code qubit distrugge le informazioni contenute all'interno di essi.

Dato che questi qubit possono essere ideati e prodotti utilizzando tecniche standard di fabbricazione del silicio, IBM anticipa che nel momento in cui una manciata di qubit superconduttori verrà prodotta in modo affidabile e ripetitivo e controllata con basse percentuali di errore, non ci saranno ostacoli fondamentali per dimostrare la correzione degli errori in reticoli di qubit più grandi.

Questi risultati mettono in luce il grande impegno da parte di IBM nell'elaborazione informatica quantistica che prosegue da più di 30 anni ed è iniziato con la partecipazione di IBM al primissimo workshop in questo settore sulla Fisica dell'Informazione nel 1981.

Per ulteriori informazioni relative a una nuova era di ricerca sull'informatica quantistica, visitate il blog A Smarter Planet.

IBM Research

Con i suoi 70 anni di attività, IBM Research continua a definire il futuro della tecnologia grazie al lavoro di più di 3.000 ricercatori in 12 laboratori situati in sei continenti. Le innovazioni di IBM Research hanno aiutato l'azienda a realizzare il record di 7.534 brevetti nel 2014, posizionandosi per il 22° anno consecutivo al primo posto nell'elenco annuale americano dei beneficiari di brevetti. Tra gli esperti di IBM Research figurano 6 Premi Nobel, 10 U.S. National Medals of Technology, 5 U.S. National Medals of Science, 6 Turing Awards, 19 membri della National Academy of Sciences e 20 membri dell'U.S. National Inventors Hall of Fame.

Per ulteriori informazioni visitate il sito www.research.ibm.com.