Microsoft e Quantinuum annunciano di aver inaugurato la prossima era della computazione quantistica

Microsoft e Quantinuum hanno annunciato oggi una grande innovazione nella correzione degli errori quantistici. Utilizzando l'hardware a trappola per ioni di Quantinuum e il nuovo sistema di virtualizzazione dei qubit di Microsoft, il team è stato in grado di eseguire più di 14.000 esperimenti senza alcun errore. Questo nuovo sistema ha anche permesso al team di controllare i qubit logici e correggere eventuali errori incontrati senza distruggere i qubit logici.

Questo, dicono le due aziende, ha spostato lo stato dell'arte della computazione quantistica da quella che è stata tradizionalmente definita l'era dei computer quantistici di scala intermedia rumorosa (NISQ). “Rumorosa” perché anche le più piccole variazioni nell'ambiente possono portare un sistema quantistico a diventare essenzialmente casuale (o “decorrere”), e “scala intermedia” perché la generazione attuale di computer quantistici è ancora limitata a poco più di mille qubit nella migliore delle ipotesi. Un qubit è l'unità fondamentale di calcolo nei sistemi quantistici, analogo a un bit in un computer classico, ma ogni qubit può trovarsi in più stati contemporaneamente e non cade in una posizione specifica fino a quando non viene misurato, il che sottende il potenziale del quantistico di offrire un enorme salto nella potenza di calcolo.

Non importa quanti qubit si abbiano, tuttavia, se si ha a malapena il tempo per eseguire un algoritmo di base prima che il sistema diventi troppo rumoroso per ottenere un risultato utile - o qualsiasi risultato del tutto.

Combinando diverse tecniche, il team è stato in grado di eseguire migliaia di esperimenti praticamente senza errori. Ciò ha comportato una notevole preparazione e la preselezione di sistemi che sembravano già essere in buone condizioni per un'esecuzione di successo, ma comunque, si tratta di un enorme miglioramento rispetto a poco tempo fa per l'industria.

È un passo nella giusta direzione per la computazione quantistica. Ci sono ancora molti problemi da risolvere (e questi risultati devono essere replicati, naturalmente), ma teoricamente, un computer con 100 di questi qubit logici potrebbe già essere utile per risolvere alcuni problemi, mentre una macchina con 1.000 qubit potrebbe, dice Microsoft, “sbloccare un vantaggio commerciale”.

Il team ha utilizzato il processore a trappola per ioni H2 di Quantinuum ed è riuscito a combinare 30 qubit fisici in quattro qubit logici altamente affidabili. Codificare più qubit fisici in un singolo qubit logico aiuta a proteggere il sistema dagli errori. I qubit fisici sono intrecciati insieme in modo che diventi possibile rilevare un errore in un qubit fisico e correggerlo.

È questa correzione degli errori che ha a lungo tormentato l'industria: Più basso è il rumore e maggiore è la qualità dei qubit fisici, meglio è, naturalmente, ma senza una correzione degli errori sofisticata, non c'è via d'uscita dall'era NISQ perché questi sistemi decorrono prima o poi.

“Aumentare semplicemente il numero di qubit fisici con un tasso di errore elevato - senza migliorare quel tasso di errore - è inutile perché fare ciò porterebbe a un grande computer quantistico che non è più potente di prima”, hanno scritto Dennis Tom, general manager di Azure Quantum, e Krysta Svore, VP dello sviluppo quantistico avanzato presso Microsoft, nell'annuncio di oggi. “Al contrario, quando si utilizzano qubit fisici con un sufficiente livello di qualità di funzionamento insieme a un sistema di orchestramento e diagnostica specializzato per abilitare qubit virtuali, solo in questo caso aumentare il numero di qubit fisici porta a computer quantistici potenti e a prova di errore in grado di eseguire calcoli più complessi e più lunghi”.

È solo un paio d'anni fa che i qubit logici hanno iniziato a superare i qubit fisici. Ora, Microsoft e Quantinuum sostengono che il loro nuovo sistema hardware/software dimostra il più grande divario tra tassi di errore fisico e logico, migliorando l'utilizzo solo dei qubit fisici fino a 800 volte.

I ricercatori fanno notare che per superare NISQ è necessaria una grande separazione tra i tassi di errore dei qubit logici e fisici, così come la capacità di correggere errori nei circuiti individuali e di generare intrecci tra almeno due qubit logici. Se questi risultati resistono, allora il team ha raggiunto tutti e tre e siamo effettivamente entrati in un'era stabile l'era della computazione quantistica resiliente.

Come si è scoperto, il risultato più importante qui potrebbe effettivamente essere la capacità del team di eseguire “estrazione attiva dei sindromi” - cioè, la capacità di diagnosticare un errore e correggerlo, senza distruggere il qubit logico nel processo.

“Questo risultato segna il primo passo per poter correggere errori senza distruggere i qubit logici e mostra un traguardo fondamentale nella correzione degli errori quantistici”, spiegano Tom e Svore. “Abbiamo dimostrato questo componente critico della computazione quantistica affidabile con il nostro sistema di virtualizzazione dei qubit, che ha prodotto un basso tasso di errore logico su più turni di estrazione dei sindromi”.

Ora spetterà al resto della comunità quantistica replicare questi risultati e implementare sistemi simili di correzione degli errori. Probabilmente è solo una questione di tempo, però.

“I risultati di oggi segnano un traguardo storico e sono un meraviglioso riflesso di come questa collaborazione continui a spingere i confini dell'ecosistema quantistico”, ha dichiarato Ilyas Khan, fondatore e chief product officer di Quantinuum. “Con la correzione degli errori di ultima generazione di Microsoft allineata al computer quantistico più potente al mondo e a un approccio completamente integrato, siamo così entusiasti per la prossima evoluzione delle applicazioni quantistiche e non vediamo l'ora di vedere come i nostri clienti e partner beneficeranno delle nostre soluzioni, in particolare man mano che ci avviamo verso i processori quantistici su larga scala”.

Per maggiori dettagli, puoi trovare il paper tecnico qui.