Stati magici quantistici, errori ridotti di 40 volte
Il gruppo di Google ha sperimentato la coltivazione degli stati magici sul processore quantistico Willow. La tecnica ha raggiunto una fedeltà di almeno il 99,99%, ma solo l’8% dei tentativi è andato a buon fine.
I computer quantistici potrebbero ridurre gli errori coltivando con cura singoli «stati magici», invece di produrne molti imperfetti per poi selezionare i migliori. Un gruppo di Google ha sperimentato questo metodo sul processore quantistico Willow: gli errori nella preparazione sono diminuiti di circa 40 volte e gli stati ottenuti hanno raggiunto una fedeltà di almeno il 99,99 per cento. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science, indica una possibile alternativa a tecniche che richiedono molte risorse hardware e tempi di elaborazione lunghi.
La sfida degli errori quantistici
La sfida è centrale per il futuro del calcolo quantistico. Queste macchine potrebbero affrontare problemi troppo complessi persino per i supercomputer convenzionali più potenti, ma i loro qubit sono estremamente sensibili alle interferenze dell’ambiente. Un calcolo può quindi essere compromesso da piccoli disturbi. Per limitare gli errori servono sistemi di correzione che impiegano più qubit fisici per proteggere le informazioni contenute in un singolo qubit logico. In un computer quantistico pienamente funzionante, una parte consistente delle risorse potrebbe finire proprio nel controllo dei risultati.
I qubit, a differenza dei bit classici, che rappresentano un 1 oppure uno 0, possono trovarsi in una sovrapposizione dei due stati finché non vengono misurati. La misurazione fa collassare la sovrapposizione e restituisce un risultato definito. Questa proprietà è alla base delle capacità dei computer quantistici, ma li rende anche vulnerabili: basta una perturbazione minima per alterare lo stato e introdurre errori.
Il ruolo degli stati magici
Anche con la correzione degli errori, alcune operazioni necessarie per i calcoli più complessi sono difficili da eseguire in modo affidabile. Per renderle possibili, i fisici ricorrono agli «stati magici»: stati quantistici preparati in anticipo, che permettono di effettuare operazioni complesse senza compromettere la correzione degli errori. Ogni stato magico, però, può essere usato una sola volta, quindi il computer deve disporre di una fornitura continua.
Il metodo tradizionale per ottenerli è la distillazione: si elaborano molti stati magici imperfetti per ricavarne un numero più piccolo di qualità superiore. È una procedura efficace, ma può richiedere notevoli risorse e tempi lunghi. Nel 2024 i ricercatori di Google hanno avviato lo studio di un’alternativa, chiamata «coltivazione degli stati magici».
Coltivazione e distillazione a confronto
La differenza si può immaginare con una serra. La distillazione equivale a coltivare molti cespugli di rose e usarli per selezionare pochi esemplari premiati. La coltivazione, invece, consiste nel far crescere una sola pianta, curandola e potandola con attenzione; se qualcosa va storto, la si scarta e si riparte da un nuovo seme. Lo scopo non è necessariamente ottenere uno stato migliore di quelli prodotti con i metodi convenzionali, ma raggiungere una qualità comparabile usando meno risorse.
Sul processore Willow, il gruppo ha ridotto di circa 40 volte gli errori nella fase di preparazione. Nelle prove più rigorose, tuttavia, è stato necessario scartare la maggior parte dei tentativi: i ricercatori hanno conservato soltanto circa l’8 per cento dei risultati.
Una nuova tecnica di misurazione
La sperimentazione ha portato anche a un problema inatteso. Verificare che una tecnica quantistica abbia funzionato è essenziale, ma misurare con precisione uno stato magico con pochissimi errori è particolarmente difficile. Quando Emma Rosenfeld, fisica quantistica di Google, ha testato per la prima volta il metodo, i risultati sembravano contraddire le leggi della fisica, ha raccontato l’azienda in un post sul blog. Dopo mesi di indagini, il gruppo ha individuato la causa nel sistema usato per misurare la fedeltà dello stato: piccole variazioni nelle apparecchiature di laboratorio, comprese quelle di temperatura, introducevano rumore e rendevano inaffidabile il metodo abituale.
I ricercatori hanno quindi sviluppato una nuova procedura, chiamata «tomografia del contraccolpo», per valutare l’affidabilità degli stati coltivati senza le distorsioni che avevano alterato le misurazioni precedenti.
Il trasferimento al codice di correzione
Il gruppo è riuscito inoltre a trasferire lo stato magico coltivato in un codice di correzione degli errori quantistici più grande, un passaggio necessario per poterlo usare in calcoli reali. Il trasferimento non è stato privo di problemi: il codice più grande ha introdotto ulteriori errori, che i ricercatori dovranno affrontare in seguito.
Nel complesso, i risultati mostrano che la coltivazione degli stati magici può funzionare su hardware quantistico reale e potrebbe offrire un’alternativa meno dispendiosa ai metodi finora utilizzati. «In definitiva», scrivono i ricercatori, «questi risultati trasformano la coltivazione degli stati magici da studio teorico a realtà sperimentale, offrendo un percorso pratico verso la logica universale nei processori superconduttori».
