Un’unica linea di controllo a microonde ha permesso di azionare in parallelo cinque qubit al silicio mantenendo una precisione di almeno il 99,9%. Il risultato, ottenuto da ricercatori del RIKEN giapponese e di istituti partner e pubblicato su Nature Physics, potrebbe aiutare a ridurre i collegamenti necessari nei futuri processori quantistici. Non dimostra però che sia già stato realizzato un computer quantistico tollerante ai guasti.
La potenza di un computer quantistico non dipende solo dal numero di qubit, ma anche dalla precisione con cui questi eseguono le operazioni insieme. Il controllo simultaneo è importante per la correzione degli errori, che serve a proteggere le fragili informazioni quantistiche. Ma i segnali diretti a un qubit possono interferire con quelli dei vicini e ridurre l’accuratezza delle operazioni. In esperimenti precedenti, questa interferenza aveva fatto scendere la fedeltà dei gate — la misura della precisione di un’operazione quantistica — dal 99,95% a circa il 99,5%.
Il gruppo ha studiato cinque qubit formati dallo spin, una proprietà quantistica, di elettroni intrappolati in minuscole strutture chiamate punti quantici, all’interno di un dispositivo di silicio e silicio-germanio. I qubit di spin al silicio sono considerati promettenti per realizzare sistemi più grandi anche perché sono compatibili con i processi industriali usati per produrre semiconduttori.
I ricercatori hanno individuato la principale causa dell’interferenza nell’effetto Stark AC. Un segnale a microonde può modificare i livelli energetici effettivi di un qubit vicino e alterare così l’evoluzione del suo stato quantistico. Questo provoca uno sfasamento indesiderato, cioè una variazione nella temporizzazione relativa delle onde che descrivono lo stato, e può compromettere l’operazione prevista.
Per correggere il problema, il gruppo ha misurato l’influenza reciproca tra coppie di qubit e ha usato quei dati per compensare gli sfasamenti quando più qubit operavano insieme. In questo modo non è stato necessario calibrare separatamente ogni possibile combinazione. «Invece di richiedere una procedura di calibrazione completamente separata per ogni possibile combinazione di qubit, il nostro metodo usa le calibrazioni delle coppie di qubit per compensare gli sfasamenti indesiderati», ha spiegato Yi-Hsien Wu, primo autore dello studio.
Quando operavano singolarmente, i cinque qubit raggiungevano una fedeltà dei gate superiore al 99,99%; il migliore si avvicinava al 99,999%. Con un massimo di tre qubit attivi in parallelo, la fedeltà restava sopra il 99,99%. Anche quando operavano tutti e cinque contemporaneamente, rimaneva pari o superiore al 99,9%.
Quest’ultimo valore soddisfa un parametro di riferimento ampiamente usato per il calcolo quantistico tollerante ai guasti, in cui le tecniche di correzione degli errori proteggono i calcoli. Non significa, tuttavia, che il dispositivo abbia già raggiunto la tolleranza ai guasti: per arrivarci servono ulteriori progressi.
Condividere una linea a microonde potrebbe ridurre il numero di collegamenti di controllo nei processori più grandi, risparmiando spazio e potenzialmente limitando il calore prodotto dall’hardware di controllo. I ricercatori indicano come possibile sviluppo moduli con circa dieci qubit per linea condivisa, ma questa configurazione non è stata ancora dimostrata.
Restano inoltre altri ostacoli. Segnali a microonde più potenti possono accelerare le operazioni, ma anche introdurre disturbi che danneggiano i delicati stati quantistici. Il gruppo propone di migliorare i minuscoli magneti che controllano gli spin degli elettroni, integrandoli negli strati di cablaggio del chip. Campi magnetici locali più intensi potrebbero consentire operazioni più rapide usando una potenza a microonde inferiore.
Il risultato affronta quindi una delle difficoltà nel rendere scalabili i computer quantistici al silicio: mantenere un controllo preciso mentre più qubit lavorano insieme. Per capire se il metodo potrà contribuire a un calcolo pratico e tollerante ai guasti, sarà necessario estenderlo ad array più grandi e affrontare altre fonti di errore. note
Fonte: interestingengineering.com
