L'interruttore a levetta riduce il rumore nei computer quantistici

Un team di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti ha presentato un dispositivo che riduce il rumore nei computer quantistici.

Un dispositivo “interruttore a levetta” collega due qubit superconduttori a un circuito chiamato “risonatore di lettura” in grado di leggere l’output dei calcoli dei qubit.

Questo interruttore può essere spostato in diversi stati per regolare la forza delle connessioni tra i qubit e il risonatore di lettura.

Quando disattivato, tutti e tre gli elementi sono isolati l'uno dall'altro.

Quando l'interruttore è attivato per connettere i due qubit, possono interagire ed eseguire calcoli.

Una volta completati i calcoli, l'interruttore a levetta può collegare uno dei qubit e il risonatore di lettura per recuperare i risultati.

Avere un interruttore a levetta programmabile contribuisce notevolmente a ridurre il rumore, un problema comune nei circuiti dei computer quantistici che rende difficile per i qubit eseguire calcoli e mostrare chiaramente i risultati.

La foto mostra la zona di lavoro centrale del dispositivo. Nella sezione inferiore, i tre grandi rettangoli (azzurro) rappresentano i due bit quantistici, o qubit, a destra e a sinistra e il risonatore al centro. Nella sezione superiore, ingrandita, il passaggio delle microonde attraverso l'antenna (grande rettangolo blu scuro in basso) induce un campo magnetico nel circuito SQUID (quadrato bianco più piccolo al centro, i cui lati sono lunghi circa 20 micrometri). Il campo magnetico attiva l'interruttore a levetta. La frequenza e l'ampiezza delle microonde determinano la posizione dell'interruttore e la forza della connessione tra i qubit e il risonatore. Crediti: K. Cicak e R. Simmond

"L'obiettivo è mantenere felici i qubit in modo che possano calcolare senza distrazioni, pur essendo in grado di leggerli quando vogliamo", ha detto Ray Simmonds, fisico del NIST e uno degli autori dell'articolo. “Questa architettura del dispositivo aiuta a proteggere i qubit e promette di migliorare la nostra capacità di effettuare le misurazioni ad alta fedeltà necessarie per costruire processori di informazioni quantistiche a partire dai qubit”.

Il team comprende anche scienziati dell'Università del Massachusetts Lowell, dell'Università del Colorado Boulder e della Raytheon BBN Technologies.

Uno dei problemi affrontati dai progettisti di computer quantistici è che i circuiti quantistici vengono colpiti da rumore esterno o addirittura interno, che deriva da difetti nei materiali utilizzati per realizzare i computer.

Questo rumore è essenzialmente un comportamento casuale che può creare errori nei calcoli dei qubit.

I qubit attuali sono intrinsecamente rumorosi di per sé, ma questo non è l'unico problema. Molti progetti di computer quantistici hanno quella che viene chiamata architettura statica, in cui ogni qubit nel processore è fisicamente connesso ai suoi vicini e al suo risonatore di lettura.

Il cablaggio fabbricato che collega insieme i qubit e alla loro lettura può esporli a un rumore ancora maggiore.

Tali architetture statiche presentano un altro svantaggio: non possono essere riprogrammate facilmente. I qubit di un'architettura statica potrebbero svolgere alcuni lavori correlati, ma affinché il computer possa eseguire una gamma più ampia di attività, dovrebbe sostituire un diverso design del processore con una diversa organizzazione o layout di qubit.

(Immagina di cambiare il chip del tuo laptop ogni volta che hai bisogno di utilizzare un diverso software, quindi considera che il chip deve essere mantenuto leggermente sopra lo zero assoluto e capirai perché ciò potrebbe rivelarsi scomodo.)

L'interruttore a levetta programmabile del team evita entrambi questi problemi. Innanzitutto, impedisce al rumore del circuito di insinuarsi nel sistema attraverso il risonatore di lettura e impedisce ai qubit di conversare tra loro quando dovrebbero essere silenziosi.

“Ciò riduce una delle principali fonti di rumore in un computer quantistico”, ha affermato Simmonds.

In secondo luogo, l'apertura e la chiusura degli interruttori tra gli elementi sono controllate con un treno di impulsi a microonde inviati a distanza, anziché attraverso le connessioni fisiche di un'architettura statica. L’integrazione di più di questi interruttori a levetta potrebbe essere la base per un computer quantistico più facilmente programmabile.