Immunizzare i computer quantistici dagli errori

Se si vuole costruire un computer quantistico, bisogna aspettarsi degli errori, in entrambi i sensi della parola. I bit quantistici o qubit, che possono assumere simultaneamente gli stati logici 0 e 1 e quindi garantire calcoli più veloci, sono estremamente suscettibili di errori. A questo si può porre rimedio con la correzione degli errori quantistici, in cui ogni qubit è presente in più versioni, cioè "in modo ridondante", in modo che gli errori possano essere rilevati e successivamente corretti senza disturbare il fragile stato quantico del qubit stesso. Si tratta di un'operazione tecnicamente molto complessa.

Da alcuni anni esiste una proposta alternativa in cui l'informazione non è memorizzata in diversi qubit ridondanti, ma nei numerosi stati di oscillazione di un singolo oscillatore armonico quantistico-fisico. Un qubit di questo tipo codificato in un oscillatore è stato ora realizzato in laboratorio dal gruppo di ricerca di Jonathan Home, professore presso l'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica pagina esternaNatura pubblicato.

Stati di oscillazione periodica

Nel laboratorio di Home, la dottoranda Christa Flühmann e i suoi colleghi lavorano con atomi di calcio carichi elettricamente che vengono intrappolati con l'aiuto di campi elettrici. Grazie all'uso mirato di raggi laser, essi vengono raffreddati a tal punto che le loro oscillazioni nei campi elettrici (in cui gli ioni vibrano come biglie in una ciotola) sono descritte come cosiddette funzioni d'onda dalla meccanica quantistica. "? qui che la cosa si fa eccitante", spiega Flühmann, autore principale dell'articolo su Nature. "Possiamo manipolare gli stati vibrazionali degli ioni in modo tale che la loro incertezza spaziale e di momento sia distribuita su molti stati disposti periodicamente".

L'"incertezza" si riferisce alla famosa formula di Werner Heisenberg secondo la quale, in fisica quantistica, il prodotto delle incertezze di misura della posizione e della velocità (più precisamente: della quantità di moto) di una particella non può mai scendere al di sotto di un certo limite minimo. Se, ad esempio, si vuole manipolare la particella in modo da conoscere la sua posizione in modo molto preciso - la fisica chiama questo "schiacciamento" - la sua quantità di moto è automaticamente meno certa.

Incertezza ridotta

La sola compressione di uno stato quantistico ha quindi un'utilità limitata se si vogliono effettuare misure precise. Ma c'è una via d'uscita intelligente: se, oltre alla compressione, si crea uno stato di oscillazione in cui la funzione d'onda della particella è distribuita su molte posizioni disposte periodicamente, l'incertezza di misura di ciascuna di queste posizioni e degli impulsi corrispondenti può essere più piccola di quanto consentito da Heisenberg. Una tale distribuzione spaziale della funzione d'onda - la particella può trovarsi in molti luoghi allo stesso tempo e solo una misurazione decide dove si trova effettivamente - ricorda il famoso gatto di Erwin Schr?dinger, che è vivo e morto allo stesso tempo.

Grazie all'incertezza di misura notevolmente ridotta, ora è possibile determinare con estrema precisione - e quindi in linea di principio anche correggere - le più piccole variazioni della funzione d'onda, dovute ad esempio a interferenze esterne. "La nostra realizzazione di questi stati di oscillazione periodici o a pettine dello ione rappresenta un passo importante verso questa possibile determinazione dell'errore", spiega Flühmann. "Possiamo anche preparare qualsiasi stato dello ione ed eseguire tutte le operazioni logiche sullo ione. Tutto questo è necessario per la costruzione di un computer quantistico. Nel prossimo passo, vogliamo combinare tutto questo con la determinazione e la correzione degli errori".

Applicazioni nei sensori quantistici

Tuttavia, Flühmann ammette che ci sono ancora alcuni ostacoli sperimentali da superare. Ad esempio, lo ione calcio deve essere prima accoppiato a un altro ione tramite forze elettriche, in modo da poter leggere lo stato vibrazionale senza disturbarlo. Ma anche nella sua forma attuale, il metodo dei ricercatori dell'ETH è estremamente interessante per le applicazioni, spiega Flühmann: "Il fatto che questi stati vibrazionali siano così sensibili alle perturbazioni li rende ideali per misurare con precisione i più piccoli campi elettrici o altre quantità fisiche".