Lo “switch” del NIST può aiutare con il calcolo quantistico

Lo “switch” del NIST può aiutare con il calcolo quantistico

Immagine: questa immagine mostra l’area di lavoro centrale del dispositivo. Nella parte inferiore, i tre grandi rettangoli (azzurri) rappresentano i due qubit, o qubit, a destra ea sinistra e il risonatore al centro. Nella parte superiore ingrandita, le microonde in movimento attraverso l’antenna (grande rettangolo blu scuro in basso) induce un campo magnetico nel circuito SQUID (quadrato bianco più piccolo al centro, lati lunghi circa 20 μm). Il campo magnetico attiva l’interruttore a levetta. La frequenza e l’ampiezza delle microonde determinano la posizione della chiave e la forza della connessione tra il qubit e il risonatore.
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Credito: R. Simmonds/NIST

A cosa serve un computer potente se non puoi leggerne l’output? O facilmente riprogrammato per svolgere diverse funzioni? Le persone che progettano computer quantistici affrontano queste sfide e il nuovo dispositivo potrebbe semplificarne la risoluzione.

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

Questo interruttore può essere spostato su stati diversi per regolare la forza delle connessioni tra il qubit e il risonatore di lettura. Quando si cambia, tutti e tre gli elementi sono isolati l’uno dall’altro. Quando attivi l’interruttore per connettere i due qubit, questi possono interagire ed eseguire operazioni matematiche. Una volta completati i calcoli, lo switch può connettere uno qualsiasi dei qubit e il risonatore di lettura per recuperare i risultati.

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Avere un interruttore programmabile fa molto per ridurre il rumore, che è un problema comune nei circuiti dei computer quantistici che rende difficile per i qubit eseguire calcoli e mostrare chiaramente i loro risultati.

“L’obiettivo è mantenere felici i qubit in modo che possano calcolare senza distrazioni, continuando a leggerli quando vogliamo”, ha affermato Ray Symonds, 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 precisione necessarie per costruire processori di informazioni quantistiche dai qubit”.

Il team, che comprende anche scienziati dell’Università del Massachusetts Lowell, dell’Università del Colorado Boulder e della Raytheon BBN Technologies, descrive le sue scoperte in un articolo pubblicato oggi su fisica della natura.

Ancora in evoluzione, i computer quantistici sfrutterebbero le proprietà esotiche della meccanica quantistica per svolgere compiti che anche i nostri computer classici più potenti troverebbero difficili da risolvere, come aiutare a sviluppare nuovi farmaci eseguendo complesse simulazioni di reazioni chimiche. .

Tuttavia, i progettisti di computer quantistici devono ancora affrontare molti problemi. Uno di questi fattori è che i circuiti quantistici sono influenzati 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 portare a errori nei calcoli dei qubit.

I qubit esistenti sono intrinsecamente rumorosi, ma questo non è l’unico problema. Molti progetti di computer quantistici hanno quella che viene chiamata un’architettura statica, in cui ogni qubit nel processore è fisicamente legato ai suoi vicini e al proprio risonatore di lettura. I fili fabbricati che tengono insieme i qubit e le loro letture possono esporli a più rumore.

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Tali costrutti statici hanno un altro inconveniente: non possono essere facilmente riprogrammati. I qubit di un’architettura fissa possono svolgere alcune funzioni correlate, ma affinché un computer esegua un’ampia gamma di attività, dovrà passare a un design del processore diverso con un’organizzazione o un layout dei qubit diversi. (Immagina di cambiare il chip nel tuo laptop ogni volta che devi utilizzare un programma diverso, quindi tieni presente che il chip deve essere mantenuto sopra lo zero assoluto e capirai perché non andrebbe bene.)

Un interruttore a levetta programmabile dal team evita entrambi questi problemi. Innanzitutto, impedisce al rumore del circuito di insinuarsi nel sistema attraverso il risonatore di lettura e impedisce ai qubit di conversare tra loro quando dovrebbero essere silenziosi.

“Questo riduce una delle principali fonti di rumore in un computer quantistico”, ha detto Symonds.

In secondo luogo, l’apertura e la chiusura degli interruttori tra gli elementi è controllata da una serie di impulsi a microonde inviati a distanza, non dalle connessioni fisiche dell’architettura statica. Incorporare più di questi interruttori potrebbe essere la base per un computer quantistico facile da programmare. Gli impulsi a microonde possono anche specificare l’ordine e la sequenza delle operazioni logiche, il che significa che un chip costruito con molti interruttori di gruppo può essere istruito per eseguire un numero qualsiasi di attività.

“Questo rende il chip programmabile”, ha detto Symonds. “Invece di avere una build completamente statica sul chip, puoi apportare modifiche tramite software.”

Un ultimo vantaggio è che uno switch può anche attivare una misurazione di entrambi i qubit contemporaneamente. Questa capacità di richiedere che entrambi i qubit si rivelino come una coppia è importante per tenere traccia degli errori computazionali quantistici.

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I qubit in questa dimostrazione, così come l’interruttore e il circuito di lettura, erano tutti realizzati con componenti superconduttori che conducono l’elettricità senza resistenza e devono funzionare a temperature estremamente basse. L’interruttore stesso è costituito da un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore, o “SQUID”, che è molto sensibile ai campi magnetici che passano attraverso il suo anello. Lo spostamento di una corrente a microonde attraverso un loop di antenna nelle vicinanze può causare interazioni tra i qubit e il risonatore di lettura quando necessario.

A questo punto, il team ha lavorato solo con due qubit e un risonatore di lettura, ma Symonds ha affermato che stanno preparando un progetto con tre qubit e due risonatori di lettura e hanno in programma di aggiungere anche altri qubit e risonatori. Ulteriori ricerche potrebbero fornire informazioni su quanti di questi dispositivi possono essere collegati tra loro, il che potrebbe fornire un modo per creare un potente computer quantistico con abbastanza qubit per risolvere i tipi di problemi che sono attualmente insormontabili.


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