Il gatto di Schrödinger migliora i qubit

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Credito: Vincenzo Savona (EPFL)
Credito: Vincenzo Savona (EPFL)
Ispirandosi all’esperimento del gatto di Schrödinger, gli scienziati dell’EPFL hanno creato un qubit "critical cat code" che utilizza i bosoni per memorizzare ed elaborare le informazioni in modo più affidabile e a prova di errore rispetto ai qubit precedenti.

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

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

A differenza dei bit convenzionali, i qubit possono esistere in una "sovrapposizione" di stati 0 e 1 allo stesso tempo. Ciò significa che i computer quantistici possono esplorare diverse soluzioni simultaneamente, il che potrebbe renderli molto più veloci per alcuni compiti di calcolo. Ma i sistemi quantistici sono sensibili agli errori causati dalle interazioni con l’ambiente circostante.

"Lo sviluppo di strategie per proteggere i qubit o per rilevare e correggere gli errori una volta che si sono verificati è essenziale per consentire lo sviluppo di computer quantistici su larga scala insensibili agli errori", aggiunge Vincenzo Savona. In collaborazione con i fisici dell’EPFL Luca Gravina e Fabrizio Minganti, Savona ha compiuto un importante passo avanti proponendo un "codice critico del gatto di Schrödinger" per migliorare la resistenza agli errori. Lo studio presenta un nuovo schema di codifica che potrebbe rivoluzionare l’affidabilità dei computer quantistici.

... abbiamo sviluppato un sistema che supera i suoi predecessori, rappresentando un progresso significativo per i chat qubit e per l’informatica quantistica nel suo complesso.

Che cos’è un "codice critico del gatto di Schrödinger"?

Nel 1935, il fisico Erwin Schrödinger propose un esperimento di pensiero per confutare l’interpretazione allora corrente della meccanica quantistica: l’interpretazione di Copenhagen. Nell’esperimento di Schrödinger, un gatto viene posto in una scatola chiusa con una fiala di veleno e una sorgente radioattiva. Se un singolo atomo della sorgente radioattiva decade, la radioattività viene rilevata da un contatore Geiger, che fa esplodere la fiala. Il veleno viene rilasciato, uccidendo il gatto.

Secondo l’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, se l’atomo si trova inizialmente in una sovrapposizione di due stati, anche il gatto si troverà in una sovrapposizione di due stati e si troverà contemporaneamente nello stato vivo e morto. "Questo stato rappresenta esattamente la nozione di bit quantistico, realizzato su scala macroscopica", spiega Vincenzo Savona.

Negli ultimi anni, gli scienziati si sono ispirati al gatto di Schrödinger per creare una tecnica di codifica nota come codice del gatto di Schrödinger. In questo caso, gli stati 0 e 1 del qubit sono codificati su due fasi opposte di un campo elettromagnetico che oscilla in una cavità risonante, allo stesso modo degli stati vivo e morto del gatto.

I codici del gatto di Schrödinger sono stati prodotti in passato utilizzando due approcci distinti", spiega Vincenzo Savona. Uno sfrutta gli effetti anarmonici nella cavità, l’altro si basa su perdite della cavità attentamente studiate. Nel nostro lavoro, abbiamo combinato i due approcci, conservando il meglio di entrambi. Sebbene in precedenza fosse considerata inefficiente, questa combinazione di approcci fornisce una migliore capacità di soppressione degli errori". L’idea di base è quella di operare in prossimità del punto critico di una transizione di fase, che è ciò a cui si riferisce la parte "critica" del codice critical cat.

Il codice critical cat presenta un ulteriore vantaggio: un’eccezionale resistenza agli errori derivanti da spostamenti casuali di frequenza, che spesso pongono problemi importanti per le operazioni che coinvolgono più qubit. In questo modo si risolve un problema importante e si apre la strada alla progettazione di dispositivi con più qubit che interagiscono reciprocamente, che è il requisito minimo per costruire un computer quantistico.

Stiamo domando il gatto quantistico", confida Vincenzo Savona. Combinando due approcci, abbiamo sviluppato un sistema che supera i suoi predecessori, il che rappresenta un progresso significativo per i qubit gatto e per l’informatica quantistica nel suo complesso". Questo studio è un passo importante nella progettazione di computer quantistici più efficienti e dimostra l’impegno dell’EPFL nel far progredire il campo della scienza quantistica e nel rivelare il potenziale delle tecnologie quantistiche.

Riferimenti

Luca Gravina, Fabrizio Minganti, Vincenzo Savona. Qubit critico del gatto di Schrödinger. PRX Quantum 4, 020337. 07 giugno 2023. DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.020337