Computer quantistici, sfruttando entanglement qubit trasferiscono informazioni molto più velocemente

Gruppi di qubit con entanglement quantistico (punti rossi) reclutano più qubit (punti blu) ad ogni passaggio (credito: Minh Tran/JQI)

I computer quantistici sono molto potenti e lo saranno ancora di più quando verranno messe a punto tecnologie quantistiche ancora più complesse ma ci sono dei limiti pratici, per ora teorici perché ancora non raggiunti, per quanto riguarda la velocità con la quale questi computer potranno funzionare.

Limiti di Lieb-Robinson: limiti di velocità per i fenomeni quantistici

Denominati “limiti di Lieb-Robinson”, questi limiti di velocità non possono essere ignorati perché sono intrinseci delle stesse leggi fondamentali della fisica.
E questo vale per qualsiasi fenomeno quantistico: esiste un limite relativo alla velocità con la quale una qualsiasi interazione quantistica può far sentire il suo effetto e quindi c’è un limite anche alla velocità di trasferimento delle informazioni quantistiche.
Un team di ricercatori descrive un nuovo protocollo quantistico, in un nuovo studio pubblicato su Physical Review X, che permetterebbe di raggiungere questi limiti di velocità teorici in alcuni compiti quantistici. Si tratta di informazioni che, secondo gli stessi ricercatori, potrebbero servire per creare nuovi algoritmi quantistici.

Divario tra le velocità massime e le velocità raggiungibili

“Questo divario tra le velocità massime e le velocità raggiungibili ci ha infastidito, perché non sapevamo se fosse il limite a essere allentato o se non fossimo abbastanza intelligenti da migliorare il protocollo”, spiega Minh Tran, ricercatore del Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), e autore principale dell’articolo. “In realtà non ci aspettavamo che questa proposta fosse così potente. E stavamo provando molto a migliorare il limite, si è scoperto che non era possibile. Quindi, siamo entusiasti di questo risultato”.

Nuovo protocollo funziona con l’entanglement quantistico

Il nuovo protocollo è relativo ai qubit (gli elementi costitutivi di base dei computer quantistici) che sono caratterizzati da interazioni che tendono ad indebolirsi quando aumenta la distanza che li separa. Il protocollo, dunque, è adatto per quelle interazioni che non si indeboliscono troppo velocemente. Si tratta di interazioni che possono avere utilizzi pratici in tecnologie quantistiche.
Come funziona? Il nuovo protocollo permette ai dati archiviati in un qubit di essere condivisi con i qubit vicini tramite l’entanglement quantistico. In questo modo tutti i qubit vicini al qubit che contiene il dato partecipano al trasporto dell’informazione lavorando in serie. Ne consegue un trasferimento delle stesse informazioni più veloce.

Processo può essere scalato e diventare più grande e veloce

Il processo può essere ripetuto fino a raggiungere scale più grandi e gruppi di qubit più grandi che lavorano insieme. Si tratta di un metodo diverso rispetto a quello “classico” che trasferisce le informazioni da un qubit all’altro, uno per uno. In questo nuovo protocollo i qubit agiscono come fiocchi di neve che si combinano tra loro per formare una palla sempre più grande che, aumentando dimensioni, rotola sempre più velocemente e tende a far attaccare alla sua superficie sempre più fiocchi.

Processo può anche svolgersi all’incontrario

Il processo, però, può anche svolgersi all’incontrario: l’informazione resta comunque archiviata sul qubit iniziale e quindi tutti gli altri qubit possono ritornare ai loro stati originali sostanzialmente eseguendo il processo all’incontrario.
“Il nuovo aspetto è il modo in cui intrecciamo due blocchi di qubit”, spiega Tran. “In precedenza, c’era un protocollo che impigliava le informazioni in un blocco e poi cercava di unire i qubit del secondo blocco uno per uno. Ma ora, poiché coinvolgiamo anche i qubit nel secondo blocco prima di unirlo nel primo blocco, il miglioramento sarà maggiore”.
“Sappiamo che usando particelle entangled puoi fare molte cose interessanti come misurare e rilevare con una maggiore precisione. E spostare le informazioni velocemente significa anche che puoi elaborare le informazioni più velocemente. Ci sono molti altri colli di bottiglia nella costruzione di computer quantistici, ma almeno dal punto di vista dei limiti fondamentali, sappiamo cosa è possibile e cosa no”, spiega ancora il ricercatore.

Note e approfondimenti

  1. Phys. Rev. X 11, 031016 (2021) – Optimal State Transfer and Entanglement Generation in Power-Law Interacting Systems (IA) (DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031016)

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