Qubit Fluxonium: una rivoluzione in vista dell'informatica quantistica

Il futuri computer quantistici potranno risolvere problemi troppo complessi per i supercomputer più potenti di oggi. Per raggiungere l’obiettivo, tuttavia, è necessario sviluppare efficaci versioni quantistiche dei codici di correzione degli errori in grado di tenere conto degli errori computazionali più velocemente del ritmo con cui essi si presentano. Tutto ruota intorno ai qubit, l’unità fondamentale di informazione nei computer quantistici.

Cosa sono i qubit in breve

I qubit possono essere pensati come l’equivalente quantistico dei transistor: unendone un numero elevato, si ottengono prestazioni computazionali migliori. Ma mentre i transistor sono deterministici e possono rappresentare solo un sistema basato su codice binario (0 o 1), i qubit sono probabilistici. Quindi, se facendo un parallelismo con il lancio di una moneta, i primi registrano solo “testa” o “croce”, i qubit possono rappresentare le diverse posizioni della moneta mentre volteggia in aria.

Si dice che i qubit possono esistere in uno stato di 0, 1, oppure in una sovrapposizione di entrambi gli stati grazie al principio di sovrapposizione quantistica. Inoltre, lo stato di un qubit può essere correlato allo stato di un altro (entanglement): due qubit possono quindi risultare interconnessi in modo che lo stato di uno influenzi istantaneamente lo stato dell’altro.

Mentre i bit classici possono rappresentare solo uno dei due stati possibili alla volta, un qubit può rappresentare una superposizione di più stati quantistici permettendo di sfruttare un elevato grado di parallelismo nei calcoli.

Ciò consente di beneficiare di uno spazio molto più ampio di possibili soluzioni rispetto a quelle che un sistema binario può esprimere. Ed è per questo motivo che il quantum computing può assicurare una gestione molto più rapida di certi problemi (ne abbiamo parlato in apertura) con una soluzione che può spesso arrivare in tempi congrui, quando con l’informatica tradizionale sarebbe impossibile giungere a qualunque conclusione.

Il MIT propone un design alternativo per i qubit dei futuri computer quantistici

I computer quantistici sinora realizzati non sono tuttavia ancora sufficientemente robusti per gestire una correzione degli errori in maniera completamente affidabile. I ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) hanno tuttavia appena presentato un’innovativa architettura che utilizza qubit superconduttori per ottenere una precisione nei calcoli molto maggiore rispetto a quanto visto finora.

Una limitazione attuale della computazione quantistica è l’accuratezza dei risultati: i qubit sono sensibili e capricciosi. Fattori esterni come temperatura, magnetismo, vibrazioni, collisioni tra particelle e tanti altri aspetti possono introdurre errori nel calcolo o far collassare stati tra loro interconnessi.

I qubit sono molto più suscettibili alle interferenze esterne rispetto ai transistor ed è proprio questo uno dei maggiori ostacoli sulla strada della progressiva implementazione commerciale dei computer quantistici. IBM, ad esempio, ha dimostrato a giugno 2023 che è possibile ridurre rumore ed errori nei computer quantistici prevedendo in maniera intelligente il ruolo delle interferenze ambientali nelle elaborazioni. Essere in grado di prevedere l’interferenza significa poter tenere conto dei suoi effetti e compensarli di conseguenza, arrivando al risultato corretto o molto vicini ad esso.

Qubit Transmon e Fluxonium: spazio a nuove soluzioni architetturali per calcoli più accurati

Finora IBM, Google e altre aziende attive nello sviluppo di soluzioni per il quantum computing hanno utilizzato qubit di tipo Transmon. Adottati per la prima volta nel 2007, rappresentano una scelta molto comune nella progettazione di computer quantistici sperimentali grazie alla loro coerenza relativamente elevata e alla manipolazione facilitata. Il problema di fondo, però, risiede comunque nella sensibilità agli effetti ambientali come le variazioni di temperatura e i campi magnetici. Fattori che possono causare errori nei calcoli quantistici.

Gli esperti del MIT hanno presentato una soluzione pratica che si focalizza sull’uso di qubit Fluxonium: essi posseggono infatti una maggiore stabilità di base contro le interferenze esterne. Questo consente loro di rimanere coerenti per periodi di tempo più lunghi. I ricercatori spiegano di aver raggiunto tempi di coerenza già paro a oltre un millisecondo, circa dieci volte più lunghi di quelli che si possono ottenere con i qubit Transmon.

In seno al progetto partorito presso il MIT, i ricercatori hanno concretizzato la realizzazione di porte bidirezionali basate su Fluxonium con un’accuratezza del 99,9% e porte unidirezionali con un record di accuratezza del 99,99%.

Ovviamente ci sono anche diversi svantaggi: come si osserva dal MIT, i qubit Fluxonium sono più difficili da scalare: richiedono schemi di accoppiamento più sofisticati tra qubit. Per questo è proposto l’utilizzo di un’architettura “mista” che coinvolge anche i qubit Transmon: Fluxonium-Transmon-Fluxonium (FTF).

Il futuro del quantum computing non è scritto

I qubit Transmon, come quelli utilizzati da IBM e Google, sono relativamente più facili da manipolare in array di qubit più grandi: il computer quantistico IBM Osprey utilizza già 433 qubit. Hanno inoltre tempi di funzionamento veloci, permettendo l’esecuzione di operazioni rapide sulle porte rapide. Di contro, i qubit Fluxonium sono più lenti ma consentono di svolgere operazioni più accurate.

A questo punto resta da verificare se il mondo del quantum computing tenderà a uniformarsi intorno a un’unica soluzione architetturale o se ci aspetta un futuro quantistico eterogeneo. Certo è che siamo ancora agli albori di una tecnologia destinata letteralmente ad esplodere negli anni a venire.

Credit immagine in apertura: iStock.com/mesh cube