Il mantenimento della coerenza per migliori applicazioni di informazioni quantistiche

Con la legge di Moore in procinto di raggiungere il suo limite, tutta l’attenzione si sta concentrando sulle tecnologie basate sull’informazione quantistica. Non siamo troppo lontani: architetture quantistiche, tra cui ioni intrappolati, difetti di colore nei cristalli e atomi di Rydberg sono già disponibili e possono essere utilizzate per implementare applicazioni basate su informazioni quantistiche.

Partendo da queste premesse, il principio sembra semplice, almeno sulla carta: più si riesce a preservare la coerenza quantistica, più diventeranno varie e interessanti le applicazioni quantistiche. In altri termini, i fisici quantistici hanno bisogno di nuovi approcci per prevenire la decoerenza dovuta a rumore, perdite e canali di decadimento.

Itsik Cohen ha studiato i modi per mantenere la coerenza e realizzare una varietà di applicazioni quantistiche nell’ambito del progetto MQC. Il borsista del programma Marie Skłodowska-Curie ha accettato di discutere con noi il suo approccio e i risultati.

Il suo lavoro è incentrato sulla coerenza quantistica. Perché è importante per il futuro del calcolo quantistico?

Itsik Cohen: In fisica, la coerenza viene mantenuta finché le onde preservano la loro fase relativa, permettendo così il fenomeno dell’interferenza. Lo stesso vale per la coerenza quantistica, che viene preservata quando la sovrapposizione quantistica (fase e ampiezza) viene mantenuta stabile.

La coerenza quantistica è al centro della tecnologia dell’informazione quantistica. Quest’ultima può essere solo attuata finché la coerenza quantistica è preservata. In realtà, con l’incremento della complessità delle applicazioni quantistiche, è necessario prolungare il tempo di coerenza. Allo stesso modo, tempi di coerenza più lunghi offrono prestazioni più elevate e una maggiore fedeltà delle operazioni quantistiche, il che è estremamente importante in particolare per il calcolo quantistico.

Come si ottiene questo tipo di coerenza?

Al fine di preservare la coerenza, si dovrebbero superare rumore, perdite e canali decadimento che costituiscono le principali fonti di decoerenza. A questo scopo, sono state sviluppate tecniche di ridefinizione, quali il disaccoppiamento dinamico e la correzione degli errori quantistici.

L’ambito del disaccoppiamento dinamico ha avuto origine con l’idea di Hahn di ridefinire l’allargamento inomogeneo nella risonanza magnetica nucleare (RMN). Tale effetto è stato chiamato eco di spin. Attualmente questo effetto è utilizzato in molte aree della fisica, dai sistemi atomici alla materia condensata. Le scoperte in questo ambito ci hanno fornito la possibilità di inizializzare, manipolare e rilevare lo stato di un qubit con una precisione estremamente elevata. E fatto ancora più impressionante, ci ha permesso di prolungare il tempo di coerenza dei qubit di molti ordini di grandezza. Un approccio complementare al disaccoppiamento dinamico dell’impulso è quello continuo: un campo in continua risonanza attiva un salto energetico che protegge dallo spettro di potenza lenta della sorgente di decoerenza.

D’altro canto, l’ambito della correzione degli errori quantistici è nato con l’algoritmo di misurazione della sindrome e correzione retroattiva di Peter Shor. Nell’algoritmo di Shor, un singolo qubit computazionale è descritto da 9 qubit reali e il rumore è rilevato tramite misurazioni che possono mantenere intatto il sottospazio del qubit. A questo punto si possono applicare operazioni di correzione retroattiva e invertire il processo del rumore. È da notare che, poiché i protocolli di correzione quantistica degli errori (QEC, Quantum Error Correction) richiedono più risorse, è sperimentalmente preferibile utilizzare programmi di disaccoppiamento dinamico (DD) quando possibile.

Quali elementi ritiene che rendano l’approccio del progetto particolarmente innovativo?

L’impiego di programmi di ridefinizione per mantenere la coerenza quantistica dipende dalle fonti di rumore che variano in base alla piattaforma quantistica e alla configurazione sperimentale. Un utilizzo non attento di questa azione di protezione potrebbe anche provocare la ridefinizione e la distruzione dell’applicazione quantistica auspicata.

Il superamento di questa difficoltà rende i miei progetti particolarmente innovativi, poiché è necessaria una grande dose di creatività per ottenere la compensazione del rumore e, al contempo, la realizzazione delle applicazioni desiderate.

In che modo è riuscito a risolvere dei problemi con le piattaforme di comunicazione quantistica?

In un precedente progetto, abbiamo proposto un programma teorico per la distribuzione di vincoli nelle reti quantistiche. Inviando un singolo fotone tra nodi quantici, ciascuno costituito da un qubit atomico incorporato in una cavità, siamo in grado di generare una porta multicontrollo di fase tra gli atomi. Si tratta di un’importante porta universale, necessaria per i protocolli di ricerca quantistica. Uno degli ostacoli sperimentali risiede nel mantenimento della fase ottica del fotone a causa delle fluttuazioni della lunghezza ottica. Abbiamo superato questo problema inviando più fotoni alla rete quantistica: abbiamo adoperato una versione pulsata del disaccoppiamento dinamico per ridefinire la fase ottica aleatoria.

Più recentemente, nel corso di una collaborazione di carattere teorico-sperimentale con il gruppo dell’Istituto Weizmann guidato da Ofer Firstenberg, abbiamo dimostrato che è possibile applicare il disaccoppiamento dinamico continuo per proteggere dall’allargamento Doppler un’eccitazione collettiva in atomi caldi. Nel momento in cui un fotone (o un impulso coerente debole) viene assorbito dal vapore atomico, questa eccitazione atomica a livello globale si comporta come un magnone. Ciascun atomo possiede una fase in base alla sua posizione e al momento del fotone assorbito. A causa di velocità atomiche casuali, l’eccitazione globale è soggetta alla decoerenza Doppler che distrugge la fase atomica desiderata.

Per ovviare a questo problema, abbiamo introdotto un ulteriore stato sensore ausiliario, con una sensibilità opposta allo stesso meccanismo Doppler. Guidando in modo intelligente la transizione tra stati eccitati e stati sensore, li accoppiamo e otteniamo uno stato vestito protetto che è immune al rumore Doppler. Il tempo di coerenza è prolungato.

Secondo lei, quali sono finora i risultati più importanti di questi due progetti e per quale motivo lo sono?

Entrambi i progetti sono importanti per l’ambito delle tecnologie dell’informazione quantistica e possiedono molte altre applicazioni che possono condurre a ricerche più fruttuose. Tuttavia, in qualità di teorico, penso che in fin dei conti qualsiasi proposta teorica che maturi fino a essere realizzata sperimentalmente risulti più rilevante di quelle che non ci riescono. Per questo motivo, ritengo che la collaborazione di carattere teorico-sperimentale nel secondo progetto rivesta una maggiore importanza. Questo vale per ora, fino a quando il primo progetto non sarà realizzato da un punto di vista sperimentale.

Nel lungo periodo, quale spera che sarà l’impatto della sua ricerca sull’informatica quantistica? Che applicazioni prevede ci saranno?

Di recente, gli atomi di Rydberg sono diventati un candidato interessante per essere impiegati come piattaforma di calcolo quantistico. Il nostro programma può essere utilizzato per proteggere contro la decoerenza Doppler, pur popolando efficacemente gli stati di Rydberg richiesti per generare interazioni tra diversi atomi. Pertanto, sono sicuro che il nostro programma sarà utile per i prossimi esperimenti di calcolo quantistico con atomi di Rydberg.

Il ridimensionamento del calcolo quantistico su un gran numero di qubit rimane una delle principali difficoltà nel campo dell’elaborazione delle informazioni quantistiche. L’uso del nostro programma per la distribuzione di vincoli nelle reti quantistiche va di pari passo con il concetto di un computer quantistico gerarchico, in cui ciascun nodo quantico è un computer quantistico di pochi qubit. Sono quindi convinto che, sebbene il nostro programma debba ancora essere verificato sperimentalmente, alla fine lo sarà.

Ci può dire di più sui suoi prossimi piani, se ce ne sono?

Ci sono molte opzioni. Una di queste è proseguire la ricerca accademica nell’ambito delle tecnologie quantistiche. Ma d’altra parte, ci sono molte aziende al di fuori del mondo accademico in cui posso dare il mio contributo. Non ho ancora deciso!