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Jan 26, 2024

Come il gatto di Schrödinger produce qubit migliori

June 8, 2023 This article

8 giugno 2023

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dell'Ecole Polytechnique Federale di Losanna

L’informatica quantistica utilizza i principi della meccanica quantistica per codificare ed elaborare i dati, il che significa che un giorno potrebbe risolvere problemi computazionali che sono intrattabili con i computer attuali. Mentre questi ultimi funzionano con i bit, che rappresentano uno 0 o un 1, i computer quantistici utilizzano bit quantistici, o qubit, le unità fondamentali dell’informazione quantistica.

"Con applicazioni che vanno dalla scoperta di farmaci all'ottimizzazione e alle simulazioni di sistemi e materiali biologici complessi, l'informatica quantistica ha il potenziale per rimodellare vaste aree della scienza, dell'industria e della società", afferma il professor Vincenzo Savona, direttore del Centro di scienza e ingegneria quantistica all'EPFL.

A differenza dei bit classici, i qubit possono esistere in una "sovrapposizione" degli stati 0 e 1 contemporaneamente. Ciò consente ai computer quantistici di esplorare più soluzioni contemporaneamente, il che potrebbe renderli significativamente più veloci in determinate attività computazionali. Tuttavia, i sistemi quantistici sono delicati e suscettibili a errori causati dalle interazioni con il loro ambiente.

"Lo sviluppo di strategie per proteggere i qubit da questo fenomeno o per rilevare e correggere gli errori una volta che si sono verificati è fondamentale per consentire lo sviluppo di computer quantistici su larga scala e tolleranti ai guasti", afferma Savona. Insieme ai fisici dell’EPFL Luca Gravina e Fabrizio Minganti, hanno fatto un passo avanti significativo proponendo un “codice critico del gatto di Schrödinger” per la resilienza avanzata agli errori. Lo studio introduce un nuovo schema di codifica che potrebbe rivoluzionare l’affidabilità dei computer quantistici.

Nel 1935, il fisico Erwin Schrödinger propose un esperimento mentale come critica alla comprensione prevalente all’epoca della meccanica quantistica: l’interpretazione di Copenhagen. Nell'esperimento di Schrödinger, un gatto viene posto in una scatola sigillata con una fiaschetta piena di veleno e una sorgente radioattiva. Se un singolo atomo della sorgente radioattiva decade, la radioattività viene rilevata da un contatore Geiger, che poi frantuma il pallone. Il veleno viene rilasciato, uccidendo il gatto.

Secondo la visione di Copenhagen della meccanica quantistica, se l’atomo è inizialmente in sovrapposizione, il gatto erediterà lo stesso stato e si ritroverà in una sovrapposizione di vivi e morti. "Questo stato rappresenta esattamente la nozione di bit quantistico, realizzata su scala macroscopica", afferma Savona.

Negli anni passati, gli scienziati si sono ispirati al gatto di Schrödinger per costruire una tecnica di codifica chiamata "codice del gatto di Schrödinger". Qui, gli stati 0 e 1 del qubit sono codificati su due fasi opposte di un campo elettromagnetico oscillante in una cavità risonante, in modo simile agli stati vivo o morto del gatto.

"I codici dei gatti di Schrödinger sono stati realizzati in passato utilizzando due approcci distinti", spiega Savona. "Uno sfrutta gli effetti anarmonici nella cavità, l'altro si affida a perdite della cavità attentamente progettate. Nel nostro lavoro, abbiamo colmato i due operando in un regime intermedio, combinando il meglio di entrambi i mondi. Sebbene in precedenza ritenuto infruttuoso, questo regime ibrido si traduce in capacità avanzate di soppressione degli errori." L'idea centrale è quella di operare vicino al punto critico di una transizione di fase, che è ciò a cui si riferisce la parte "critica" del codice cat critico.

Il codice cat critico ha un ulteriore vantaggio: mostra un’eccezionale resistenza agli errori derivanti da spostamenti casuali di frequenza, che spesso pongono sfide significative alle operazioni che coinvolgono più qubit. Ciò risolve un grosso problema e apre la strada alla realizzazione di dispositivi con diversi qubit che interagiscono tra loro, il requisito minimo per costruire un computer quantistico.