Qubit scatenati: l'“interruttore a levetta” del NIST e il futuro dell'informatica quantistica

A cura del National Institute of Standards and Technology (NIST), 17 agosto 2023

Gli scienziati del NIST hanno introdotto un dispositivo “interruttore a levetta” per computer quantistici che regola le connessioni tra qubit e un risonatore di lettura. Il dispositivo affronta sfide come il rumore e le limitazioni della riprogrammazione, aprendo la strada a un calcolo quantistico più flessibile e accurato.

Il nuovo dispositivo potrebbe portare a processori quantistici più versatili con risultati più chiari.

A cosa serve un computer potente se non puoi leggerne l'output? O riprogrammarlo facilmente per svolgere lavori diversi? Le persone che progettano computer quantistici affrontano queste sfide e un nuovo dispositivo potrebbe renderle più facili da risolvere.

Introdotto da un team di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), il dispositivo include due bit quantistici superconduttori, o qubit, che sono l'analogo di un computer quantistico ai bit logici nel chip di elaborazione di un computer classico. Il cuore di questa nuova strategia si basa su un dispositivo “interruttore a levetta” che collega i qubit a un circuito chiamato “risonatore di lettura” in grado di leggere l’output dei calcoli dei qubit.

Questo interruttore può essere spostato in diversi stati per regolare la forza delle connessioni tra i qubit e il risonatore di lettura. Quando disattivato, tutti e tre gli elementi sono isolati l'uno dall'altro. Quando l'interruttore è attivato per connettere i due qubit, possono interagire ed eseguire calcoli. Una volta completati i calcoli, l'interruttore a levetta può collegare uno dei qubit e il risonatore di lettura per recuperare i risultati.

Avere un interruttore a levetta programmabile contribuisce notevolmente a ridurre il rumore, un problema comune nei circuiti dei computer quantistici che rende difficile per i qubit eseguire calcoli e mostrare chiaramente i risultati.

Questa foto mostra la zona di lavoro centrale del dispositivo. Nella sezione inferiore, i tre grandi rettangoli (azzurro) rappresentano i due bit quantistici, o qubit, a destra e a sinistra e il risonatore al centro. Nella sezione superiore, ingrandita, il passaggio delle microonde attraverso l'antenna (grande rettangolo blu scuro in basso) induce un campo magnetico nel circuito SQUID (quadrato bianco più piccolo al centro, i cui lati sono lunghi circa 20 micrometri). Il campo magnetico attiva l'interruttore a levetta. La frequenza e l'ampiezza delle microonde determinano la posizione dell'interruttore e la forza della connessione tra i qubit e il risonatore. Credito: R. Simmonds/NIST

"L'obiettivo è mantenere felici i qubit in modo che possano calcolare senza distrazioni, pur essendo in grado di leggerli quando vogliamo", ha detto Ray Simmonds, fisico del NIST e uno degli autori dell'articolo. “Questa architettura del dispositivo aiuta a proteggere i qubit e promette di migliorare la nostra capacità di effettuare le misurazioni ad alta fedeltà necessarie per costruire processori di informazioni quantistiche a partire dai qubit”.

The team, which also includes scientists from the University of Massachusetts Lowell, the University of Colorado Boulder, and Raytheon BBN Technologies, describes its results in a paper published recently in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fisica della natura.

I computer quantistici, che sono ancora in una fase nascente di sviluppo, sfrutterebbero le bizzarre proprietà della meccanica quantistica per svolgere compiti che anche i nostri computer classici più potenti trovano intrattabili, come aiutare nello sviluppo di nuovi farmaci eseguendo sofisticate simulazioni di interazioni chimiche. .

Tuttavia, i progettisti di computer quantistici devono ancora affrontare molti problemi. Uno di questi è che i circuiti quantistici vengono colpiti dal rumore esterno o addirittura interno, che deriva da difetti nei materiali utilizzati per realizzare i computer. Questo rumore è essenzialmente un comportamento casuale che può creare errori nei calcoli dei qubit.