Steve Brierley sostiene che i computer quantistici devono implementare tecniche complete di correzione degli errori prima di poter diventare pienamente utili alla società
“Non ci sono argomenti convincenti che indichino che si troveranno applicazioni commercialmente valide non si utilizzare codici di correzione degli errori quantistici e calcolo quantistico tollerante ai guasti. Così ha affermato il fisico del Caltech John Preskill durante un discorso alla fine di 2023 al meeting Q2B23 in California. Molto semplicemente, chiunque voglia costruire un computer quantistico pratico dovrà trovare un modo per gestire gli errori.
I computer quantistici stanno diventando sempre più potenti, ma i loro elementi costitutivi fondamentali – bit quantistici o qubit – sono altamente soggetti a errori, il che ne limita l’uso diffuso. Non è sufficiente costruire semplicemente computer quantistici con qubit sempre più numerosi e migliori. Sbloccare il pieno potenziale delle applicazioni di calcolo quantistico richiederà nuovi strumenti hardware e software in grado di controllare qubit intrinsecamente instabili e correggere in modo completo gli errori di sistema 10 miliardi di volte o più al secondo.
Le parole di Preskill annunciavano essenzialmente l'alba del cosiddetto Correzione degli errori quantistici (QEC). QEC non è un’idea nuova e da molti anni le aziende sviluppano tecnologie per proteggere le informazioni archiviate nei qubit da errori e decoerenza causati dal rumore. La novità, tuttavia, è l’abbandono dell’idea che i rumorosi dispositivi su scala intermedia (NISQ) di oggi potrebbero surclassare i supercomputer classici ed eseguire applicazioni attualmente impossibili.
Certo, NISQ – un termine coniato da Preskill – è stato un importante trampolino di lancio nel viaggio verso la tolleranza agli errori. Ma l’industria quantistica, gli investitori e i governi devono ora rendersi conto che la correzione degli errori è la sfida decisiva dell’informatica quantistica.
Una questione di tempo
Il QEC ha già visto progressi senza precedenti solo nell’ultimo anno. Nel 2023 Google ha dimostrato che un sistema a 17 qubit potrebbe riprendersi da un singolo errore e un sistema a 49 qubit da due errori (Natura 614 676). Amazon ha rilasciato un chip che ha soppresso gli errori 100 volte, mentre Scienziati IBM scoperto un nuovo schema di correzione degli errori che funziona con 10 volte meno qubit (arXiv: 2308.07915). Poi, alla fine dell'anno, Quera, spin-out quantistico dell'Università di Harvard, ha prodotto il maggior numero di esperimenti mai realizzati qubit corretti dagli errori .
La decodifica, che trasforma molti qubit fisici inaffidabili in uno o più qubit “logici” affidabili, è una tecnologia QEC fondamentale. Questo perché i computer quantistici su larga scala genereranno terabyte di dati ogni secondo che dovranno essere decodificati alla stessa velocità con cui vengono acquisiti per impedire la propagazione degli errori e rendere inutili i calcoli. Se non decodifichiamo abbastanza velocemente, ci troveremo di fronte a un file arretrato di dati in crescita esponenziale.
La strategia quantistica nazionale del Regno Unito è un piano in cui tutti possiamo credere
La mia azienda, Riverlane, è stata introdotta l'anno scorso il decodificatore quantistico più potente del mondo. Il nostro decodificatore sta risolvendo questo problema di arretrato, ma c'è ancora molto più lavoro da fare. L’azienda sta attualmente sviluppando “decodificatori streaming” in grado di elaborare flussi continui di risultati di misurazione non appena arrivano, non dopo la fine di un esperimento. Una volta raggiunto l'obiettivo, c'è ancora molto lavoro da fare. E i decodificatori sono solo un aspetto della QEC: abbiamo anche bisogno di “sistemi di controllo” ad alta precisione e ad alta velocità per leggere e scrivere i qubit.
Man mano che i computer quantistici continuano a crescere, questi decodificatori e sistemi di controllo devono lavorare insieme per produrre qubit logici privi di errori e, entro il 2026, Riverlane punta a costruire un decodificatore adattivo, o in tempo reale. Le macchine di oggi sono in grado di eseguire solo poche centinaia di operazioni prive di errori, ma gli sviluppi futuri funzioneranno con computer quantistici in grado di elaborare un milione di operazioni quantistiche senza errori (note come MegaQuOp).
Riverlane non è sola in tali sforzi e altre società quantistiche stanno ora dando priorità al QEC. IBM non ha lavorato in precedenza sulla tecnologia QEC, concentrandosi invece su un numero maggiore e migliore di qubit. Ma quello dell'azienda Roadmap quantistica per il 2033 afferma che IBM mira a costruire entro la fine del decennio una macchina da 1000 qubit in grado di eseguire calcoli utili, come la simulazione del funzionamento delle molecole catalizzatrici.
Quera, intanto, ha recentemente presentato la sua tabella di marcia che dà anche la priorità al QEC, mentre il La strategia quantistica nazionale del Regno Unito mira a costruire computer quantistici in grado di eseguire un trilione di operazioni prive di errori (TeraQuOps) entro il 2035. Altre nazioni hanno pubblicato piani simili e un obiettivo per il 2035 sembra realizzabile, in parte perché la comunità del calcolo quantistico sta iniziando a puntare a soluzioni più piccole e incrementali, ma obiettivi altrettanto ambiziosi.
Preparare la scena per un mercato quantistico: dove sta andando il business quantistico e come potrebbe svolgersi
Ciò che mi entusiasma davvero della strategia quantistica nazionale del Regno Unito è l’obiettivo di avere una macchina MegaQuOp entro il 2028. Ancora una volta, questo è un obiettivo realistico – in effetti, direi addirittura che raggiungeremo prima il regime MegaQuOp, motivo per cui La soluzione QEC di Riverlane, Deltaflow, sarà pronta per funzionare con queste macchine MegaQuOp entro il 2026. Non abbiamo bisogno di fisica radicalmente nuova per costruire un computer quantistico MegaQuOp – e una macchina del genere ci aiuterà a comprendere e profilare meglio gli errori quantistici.
Una volta compresi questi errori, possiamo iniziare a risolverli e procedere verso le macchine TeraQuOp. Anche il TeraQuOp è un obiettivo variabile – e un obiettivo in cui i miglioramenti sia nel QEC che altrove potrebbero far sì che l’obiettivo del 2035 venga raggiunto qualche anno prima.
È solo questione di tempo prima che i computer quantistici siano utili per la società. E ora che abbiamo un focus coordinato sulla correzione degli errori quantistici, raggiungeremo quel punto critico prima piuttosto che dopo.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge/
