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Composite Pulses for Quantum Engineering

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Gli impulsi compositi rendono possibile un’informatica quantistica priva di errori

I qubit stabili resilienti agli effetti dannosi del rumore ambientale sono fondamentali per commercializzare applicazioni di calcolo quantistico. Ricercatori finanziati dall’UE hanno dimostrato un’efficace correzione degli errori per i qubit, segnando un passo significativo verso un’elaborazione dell’informazione quantica a prova di errore.

Ricerca di base

Per sviluppare tutte le loro potenzialità, i computer quantici dovranno soddisfare criteri specifici: avere un numero considerevolmente elevato di qubit ed essere in grado di elaborare errori. I qubit sono particolarmente predisposti agli errori: un’onda radio di breve durata o un lampo di luce bastano a distruggere il loro stato quantico e a causare disordine con i calcoli di un computer quantico. Maggiore precisione nei calcoli quantistici Sostenuto dalla borsa di ricerca Marie Skłodowska-Curie finanziata dall’UE, il progetto COPQE ha condotto una ricerca innovativa sulla riduzione del rumore ambientale e sull’ottimizzazione del controllo sui qubit. La novità del progetto consiste nello sviluppo di impulsi compositi, una tecnica dell’ingegneria quantistica in grado di correggere eventuali errori presenti nell’elaborazione delle informazioni quantiche. Questa tolleranza ai guasti è stata ottenuta utilizzando la correzione degli errori quantici, in cui le informazioni sono codificate in modo ridondante, che consente di rilevare gli errori senza distruggere i dati quantici. «Gli impulsi compositi vantano numerosi vantaggi: forniscono ai qubit, indipendentemente dal loro stato iniziale, un incredibile livello di controllo, precisione e insensibilità alla presenza di errori. Contribuiscono inoltre a creare stati quantici di qubit ad alta fedeltà inviati in guide d’onda fotoniche integrate di difetti», osserva la coordinatrice del progetto, la dott.ssa Elica Kyoseva. Gli impulsi compositi hanno dimostrato una perdita di fedeltà trascurabile: la velocità di precisione era superiore al limite del 99,99 % per l’elaborazione delle informazioni quantistiche, con un overhead minimo dell’impulso (la sequenza più piccola conteneva solo due impulsi). «Illuminare» il cammino verso il calcolo quantistico La ricerca condotta da COPQE rafforza la potenza della fotonica quantistica integrata sul calcolo quantistico. La fotonica quantistica integrata, ossia la scienza di generare, manipolare e rilevare la luce in regimi in cui è possibile controllare coerentemente i fotoni, rappresenta un campo fondamentale nell’esplorazione dei fenomeni quantistici. Poiché i fotoni sono vettori particolarmente interessanti di informazioni quantistiche, ci si aspetta che anche la fotonica quantistica svolga un ruolo centrale nell’avanzamento dell’elaborazione dell’informazione quantistica. «I risultati del progetto costituiranno la piattaforma fondamentale per sperimentare vari protocolli per l’elaborazione delle informazioni quantistiche e porteranno inoltre il calcolo quantistico ad alta fedeltà all’interno di circuiti fotonici integrati più vicini alla realtà pratica», sottolinea la dott.ssa Kyoseva. Come descrive ulteriormente, gli impulsi compositi sono stati inizialmente sviluppati per mitigare le fluttuazioni nella forza del campo oscillante nella risonanza magnetica nucleare. Da allora, hanno attratto un considerevole interesse per l’ingegneria quantistica grazie alla loro solidità nei confronti degli errori. Finora, nessun impulso composito è stato realizzato nei sistemi di fotonica integrati. Impatto dell’informatica quantistica Essendo in grado di eseguire processi in parallelo rispetto ai computer classici, che eseguono i compiti in sequenza, i computer quantici analizzeranno i megadati e risolveranno problemi di ottimizzazione complessi molto più velocemente. «I computer quantici hanno enormi potenzialità di ridefinire i settori esistenti, tra cui quelli della sicurezza dell’informatica quantistica, dei servizi finanziari, dello sviluppo di farmaci, della scienza dei materiali, dei prodotti farmaceutici e altre industrie pesanti di dati. A tal fine, molti sono i tentativi dedicati a spingere la tecnologia fuori dal laboratorio ed emergere nella realtà. L’ostacolo più significativo è l’estrema sensibilità dei sistemi quantistici al loro ambiente circostante che riduce notevolmente la precisione delle operazioni quantistiche e distrugge i calcoli quantistici», osserva la dott.ssa Kyoseva. Sono ancora necessarie scienza e ingegneria per migliorare la stabilità del qubit. Ridurre il rumore e ottimizzare il controllo degli errori sui qubit è un passo significativo verso questa direzione. I metodi di progetto per il controllo di qubit basati su impulsi compositi sono molto importanti per l’elaborazione di informazioni quantistiche prive di errori.

Parole chiave

COPQE, qubit, elaborazione di informazioni quantistiche, impulsi compositi, calcolo quantistico, fedeltà, fotonica integrata, rumore ambientale, correzione degli errori

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