Nuovi primati per il calcolo quantistico a ioni intrappolati su tecnologia a microonde
Gli ioni atomici intrappolati sono una delle piattaforme più promettenti per l’implementazione di computer quantistici su larga scala. I qubit si basano sugli stati elettronici stabili di ioni confinati e intrappolati mediante campi elettromagnetici. La scalabilità è prossima, dato che è possibile creare milioni di qubit a ioni intrappolati identici, standard per gli orologi atomici. Solitamente, ogni qubit viene manipolato con due fasci laser. Questo funziona in laboratorio per uno o pochi qubit, ma i computer quantistici su larga scala richiederebbero milioni di raggi laser. La ben consolidata e compatta tecnologia a microonde potrebbe consentire di sostituire le coppie di raggi laser con una tensione applicata a un microchip a temperature moderate. Il progetto MicroQC, finanziato dall’UE, ha promosso questo approccio, aprendo la strada all’informatica quantistica su larga scala che sfrutta la logica quantistica scalabile a microonde su un chip.
Computer quantistici a ioni intrappolati su tecnologia a microonde: le sfide principali
L’uso di radiazioni a microonde invece di fasci laser controllati con precisione consente agli scienziati di irradiare molti ioni con un’unica sorgente, e i componenti a microonde disponibili sul mercato possono fare al caso loro. Tuttavia, la radiazione globale a lunga lunghezza d’onda influisce solo debolmente sul moto degli ioni. La sua combinazione con forti campi magnetici locali consente un controllo preciso ed efficiente dei qubit di interesse. Una sfida fondamentale è rappresentata dagli effetti di grandi gradienti di campo magnetico sui chip a ioni intrappolati microfabbricati. Inoltre, l’attuale concetto di architettura di un computer quantistico a ioni intrappolati su larga scala consiste in diversi moduli (come piccole piastrelle) collegati tramite «giunzioni a X» che consentono a un singolo qubit ionico di interagire con i suoi vicini. La modularità conferisce scalabilità; tuttavia, ogni modulo ha al suo interno zone diverse per il caricamento e l’intrappolamento, la manipolazione, lo stoccaggio e la lettura, il che significa che i protocolli di trasporto degli ioni ad alta fedeltà sono obbligatori. Ad esempio, il 99 % di fedeltà significa meno di 1 errore ogni 100 operazioni.
Minimi da record: diafonia ed errori di trasporto di ioni
MicroQC ha affrontato con successo entrambe le sfide. Il coordinatore del progetto Nikolay V. Vitanov dell’Università di Sofia spiega: «All’interno di MicroQC, gli sforzi maggiori sono stati dedicati al miglioramento dei chip a ioni intrappolati microfabbricati, che hanno permesso di aumentare il gradiente del campo magnetico di un ordine di grandezza, da circa 20 a quasi 200 Tesla/metro. Il gradiente più ampio consente di costruire porte quantistiche molto più veloci e precise.» Forse i risultati più importanti del consorzio riguardano il miglioramento della fedeltà delle porte a due qubit e la minimizzazione della diafonia e degli errori di trasporto di ioni. Per aumentare i qubit di un computer quantistico dall’attuale numero massimo di 127 a milioni, è necessario che ogni qubit o coppia di qubit sia controllata individualmente e con elevata precisione. La diafonia, ovvero quando la manipolazione di un qubit influisce sugli altri, complica notevolmente la correzione degli errori quantistici, poiché gli errori non sono né locali né prevedibili. «MicroQC ha raggiunto una fedeltà di gate a due qubit del 99,7 %, una diafonia indesiderata ai qubit vicini inferiore a 10-7 e una tabella di marcia verso l’informatica quantistica su scala industriale con milioni di qubit. Questi e altri primati mondiali di calcolo quantistico a ioni intrappolati sono stati raggiunti grazie al lavoro del progetto», aggiunge Vitanov.
Il futuro dell’elaborazione delle informazioni quantistiche basata sulle microonde
Le conoscenze, le intuizioni e le esperienze acquisite nell’ambito del progetto sono state riassunte in una tabella di marcia che punta a livelli tecnologici elevati per l’elaborazione delle informazioni quantistiche a microonde con ioni intrappolati. Il progetto è terminato, ma il successo della creazione delle start-up Universal Quantum, Qudora Technologies e EleQtron garantisce che i suoi successi rivoluzionari troveranno applicazione pratica nei computer quantistici di domani per affrontare i problemi del mondo reale.
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