Computer quantistici ibridi: simulazioni di particelle con 1.000 volte meno risorse

Un computer quantistico ibrido potrebbe ridurre di mille volte le risorse necessarie per simulare alcune interazioni tra particelle, rendendo affrontabili problemi di chimica e scienza dei materiali con macchine in costruzione oggi. È la prospettiva di uno studio teorico guidato da Eleanor Crane, docente di calcolo quantistico al King’s College di Londra, pubblicato sulla rivista Physical Review X.

La proposta combina i qubit, le unità di informazione dei computer quantistici, con risonatori a cavità a microonde: piccole cavità in cui oscillano campi elettromagnetici. Questi dispositivi sono già impiegati nei sistemi superconduttori; nello schema studiato potrebbero anche conservare informazioni quantistiche.

L’obiettivo è simulare meglio le interazioni tra fermioni e bosoni, le due grandi famiglie di particelle fondamentali. I fermioni, come elettroni e protoni, costituiscono la materia; i bosoni, come i fotoni, mediano le forze, tra cui quella elettromagnetica. I computer quantistici rappresentano con relativa facilità i fermioni, mentre simulare i bosoni può richiedere molti qubit. Aumentarne il numero, però, accresce anche il rischio di errori.

La difficoltà dipende dal fatto che più bosoni possono occupare lo stesso stato quantistico, senza un limite fisso al loro numero. I qubit, invece, sono sistemi discreti. I risonatori potrebbero rappresentare direttamente alcuni aspetti del comportamento bosonico, riducendo il numero di qubit e di operazioni necessarie.

«Poiché questo [quadro ibrido] riduce il lavoro di mille volte, problemi di chimica e scienza dei materiali di interesse pratico potrebbero diventare alla portata delle macchine in costruzione oggi, molto prima dell’arrivo di grandi computer con correzione degli errori», scrivono i ricercatori nella sintesi divulgativa del lavoro.

Per confrontare il metodo ibrido con il calcolo basato soltanto sui qubit, il gruppo ha modellato un divisore di fascio, un dispositivo che separa o combina la luce, e sistemi teorici semplificati. Tra questi c’è un modello di gauge in (2+1) dimensioni: descrive due dimensioni spaziali e una temporale. È un caso intermedio utile per la ricerca: i modelli con una sola dimensione spaziale sono troppo semplici, mentre simulare il nostro Universo, con tre dimensioni spaziali e una temporale, è molto più impegnativo.

Questi modelli ridotti possono comunque essere pertinenti. Il grafene, per esempio, è un materiale sostanzialmente bidimensionale; inoltre, le interazioni in due dimensioni sono importanti per descrivere il movimento degli elettroni nei materiali superconduttori, con possibili ricadute sull’accumulo di energia.

Secondo i calcoli del gruppo, per ottenere una fedeltà del 99,9 per cento per porta con l’hardware ibrido — cioè una precisione del 99,9 per cento nell’esecuzione di ciascuna operazione logica — un computer di fascia alta basato solo sui qubit dovrebbe raggiungere almeno il 99,9999 per cento. La differenza è di tre ordini di grandezza. Si tratta di una stima teorica, non di una dimostrazione sperimentale che il sistema ibrido abbia già raggiunto queste prestazioni.

La proposta potrebbe inoltre ridurre gli errori limitando il numero di porte logiche da concatenare e fare a meno dei qubit ancilla, qubit aggiuntivi usati per individuare gli errori. Tra i possibili ambiti di applicazione ci sono lo studio delle interazioni tra fononi — quasiparticelle che descrivono l’energia delle vibrazioni — ed elettroni, rilevanti per comprendere i superconduttori ad alta temperatura.

Simulazioni quantistiche più efficaci potrebbero aiutare a studiare come le piante trasformano la luce solare in energia, come alcuni materiali conducono elettricità senza perdite e come i farmaci si legano ai loro bersagli. «Capire come le piante trasportano la luce solare per convertirla in energia, come alcuni materiali conducono elettricità senza perdite o come i farmaci si legano ai loro bersagli potrebbe portare a celle solari, reti elettriche e medicinali migliori», spiegano i ricercatori. Sono problemi che coinvolgono bosoni, come le vibrazioni dei materiali o le particelle di luce, e che risultano troppo complessi per i supercomputer classici.

La fattibilità pratica dipenderà dalla possibilità di integrare qubit e oscillatori e di realizzare dispositivi con le prestazioni richieste. Secondo i ricercatori, entrambi sono componenti comuni e il quadro potrebbe essere compatibile con hardware di prossima generazione, senza attendere computer quantistici dotati di correzione completa degli errori.

«A mio avviso, l’aspetto più incoraggiante di questa proposta è la modestia dei requisiti hardware. Questi requisiti possono essere soddisfatti dai dispositivi di prossima generazione, senza dover aspettare la correzione degli errori quantistici», afferma Anthony Ciavarella, ricercatore in scienze computazionali al Lawrence Berkeley National Laboratory, in California. «Questo lavoro offre un obiettivo concreto per lo sviluppo dell’hardware e le fedeltà richieste per le porte sono vicine a quelle già raggiunte dai dispositivi esistenti».

Fonte: sciencealert.com