Qubit a elio superfluido: il team di Surrey prevede un taglio degli errori quantistici di 100 volte

Il dispositivo proposto si chiama Superfluid Helium Oscillator Quantum, o SHOQ. Secondo ScienceDaily, che ha riferito del lavoro dell'Università di Surrey l'1 ottobre, il design utilizza elio-3 superfluido neutro di carica per schermare le informazioni quantistiche dal rumore elettromagnetico. È il primo progetto riportato per un qubit basato su un superfluido.

Questa affermazione è importante perché i computer quantistici sono fragili in un modo noioso e costoso. I qubit superconduttori, l'hardware dominante oggi, sono altamente sensibili al rumore elettromagnetico e alle cariche elettriche sparse, la stessa categoria di disturbo che fa attaccare i capelli a un palloncino. Piccoli disturbi possono disordinare le informazioni memorizzate, e il problema si fa più difficile al crescere del numero di qubit.

Il gruppo di Sharma non sta affermando un dispositivo funzionante. Sta affermando un design con specifiche.

"La matematica ci dice che dovrebbe funzionare. Abbiamo preso ciò che già sappiamo sull'elio superfluido e sulle tecnologie quantistiche e lo abbiamo trasformato in un design calcolato, con i parametri e le specifiche necessarie per costruirlo. Il prossimo passo è realizzare un prototipo e mettere alla prova queste previsioni", ha detto la dottoressa Priya Sharma, Daphne Jackson Fellow in Hybrid Quantum Systems a Surrey e prima autrice dello studio.

La proposta arriva mentre governi, università e aziende spingono l'hardware quantistico in diverse direzioni contemporaneamente. Il 27 settembre, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha rilasciato un rapporto intitolato "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future", come riferito da Fermilab. La roadmap, presieduta dal chief technology officer di Fermilab Anna Grassellino e con il professore dell'Università di Chicago Supratik Guha come vicepresidente, stabilisce un percorso in tre fasi: Quantum Grand Challenges da 2.026 a 2.028, quindi una DOE Quantum Computing User Facility, quindi l'integrazione di co-processori e sensori quantistici nelle reti di calcolo ad alte prestazioni e AI del DOE da 2.030 in poi.

L'obiettivo principale del rapporto è un computer quantistico con correzione degli errori rilevante dal punto di vista scientifico entro il 2.028. Afferma esplicitamente che il successo dovrebbe essere misurato dall'utilità scientifica piuttosto che da traguardi hardware, e che la facility del DOE non dovrebbe essere un servizio cloud commerciale "black box".

Operazioni universali e un problema di misurazione di 25 anni

Due altri risultati recenti mostrano quanto siano diventate diverse le vie verso il calcolo quantistico utile. Il 25 settembre, ScienceDaily ha riferito che ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, Harvard, Stony Brook University e Quantinuum hanno dimostrato un set universale di gate utilizzando anyon non abeliani sul processore a ioni intrappolati H2 di Quantinuum con 54 qubit entangled. Il lavoro, pubblicato su Nature, ha combinato operazioni di braiding e fusione.

Henrik Dreyer di Quantinuum ha descritto i codici non abeliani come "un outsider nella corsa alla correzione degli errori quantistici" e ha detto che il risultato mostra che il calcolo tollerante ai guasti può in principio essere fatto senza distillazione o coltivazione dello stato magico, che lui ha chiamato le operazioni più costose nella correzione degli errori standard. L'esperimento più antico del 2.024 sullo stesso hardware ha creato anyon legati al gruppo di simmetria D4, ma il solo braiding non era sufficiente per il calcolo universale. La nuova esecuzione è passata al gruppo di simmetria S3, le rotazioni e le inversioni a specchio che lasciano invariato un triangolo equilatero.

Separatamente, i ricercatori dell'Università di Kyoto e dell'Università di Hiroshima hanno riferito il 29 settembre un metodo per identificare gli stati W, una forma di entanglement multiphotonico. Più di 25 anni dopo che la misurazione equivalente era stata proposta per gli stati GHZ, il team l'ha dimostrata per stati W a tre fotoni, secondo l'autore corrispondente Shigeki Takeuchi. Il lavoro potrebbe alimentare la teletrasportazione quantistica e il calcolo quantistico basato sulla misurazione.

Nessuno di questi risultati rende gli altri ridondanti. Il dispositivo SHOQ di Surrey è un design, non una misurazione. Il risultato di Quantinuum è una dimostrazione sperimentale su hardware esistente. Il lavoro di Kyoto è una tecnica di misurazione per stati fotonici. La roadmap del DOE è un piano di finanziamento e infrastrutture.

Cosa serve ancora al design superfluido

Il team di Surrey afferma che il dispositivo SHOQ potrebbe eventualmente funzionare insieme all'hardware superconduttore piuttosto che sostituirlo, o agire come memoria quantistica mentre altri qubit calcolano. Il coautore, la dottoressa Eran Ginossar, professore associato presso il Dipartimento di Fisica e l'Advanced Technology Institute di Surrey, ha detto che combinare diverse tecnologie quantistiche potrebbe permettere ai ricercatori di usare i punti di forza di ciascuna, e che l'elio superfluido offre "un tipo di hardware quantistico fondamentalmente diverso da esplorare".

Il dispositivo avrebbe bisogno di temperature estremamente basse, ma i ricercatori notano che le condizioni necessarie sono state già raggiunte in precedenti esperimenti con elio-3 superfluido. Il progetto è stato guidato da Surrey con il professore Jens Koch della Northwestern University, che è stato coinvolto nello sviluppo del transmon, un design di qubit superconduttore ora ampiamente utilizzato. Il lavoro di prototipazione di Sharma è supportato da una IAA Commercialisation Fellowship.

Finché quel prototipo non esiste, la cifra di 100 volte rimane una previsione da un paper, non un risultato misurato. Lo stesso vale per la storia dell'integrazione: un design che in principio potrebbe stare accanto ai qubit superconduttori non è lo stesso di uno che lo fa.