Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

La natura è piena di sistemi che sembrano sfuggire al controllo. Gli schemi meteorologici si trasformano in tempeste, gli ingorghi stradali si formano per il minimo ritardo e le popolazioni di predatori e prede salgono e scendono in cicli imprevedibili. Eppure, all'interno di questo apparente caos, l'ordine emerge spesso. Le correnti a getto si organizzano dalla turbolenza e l'attività neurale si sincronizza nei ritmi costanti del cervello. Gli scienziati sanno da tempo che osservando attentamente questi sistemi caotici e apportando piccoli e tempestivi aggiustamenti, essi possono essere guidati verso uno stato stabile. Questo principio di controllo del caos ha aiutato a stabilizzare i laser e persino a guidare le sonde spaziali attraverso regioni gravitazionali instabili. Ora, i ricercatori si chiedono se questa stessa idea possa funzionare nel mondo strano e fragile della meccanica quantistica, dove le particelle esistono in molteplici stati contemporaneamente e sono facilmente disturbate dal loro ambiente.

La sfida nel regno quantistico è immensa. I sistemi quantistici sono incredibilmente sensibili; il minimo rumore o errore può distruggere le delicate informazioni che contengono. I metodi tradizionali di controllo dei sistemi quantistici spesso falliscono perché l'atto stesso di misurarli ne cambia il comportamento. Tuttavia, è emersa un nuovo approccio che utilizza una combinazione di operazioni quantistiche casuali e un monitoraggio costante. Misurando parti di un sistema quantistico e utilizzando poi tali informazioni per resettare o correggere altre parti in tempo reale, gli scienziati possono creare un ciclo di feedback. Questo processo, noto come circuito adattivo, permette ai ricercatori di guidare un sistema quantistico lontano dal caos e verso uno stato specifico e stabile, domando efficacemento la tempesta quantistica.

In uno studio recente, un team di ricercatori guidato da scienziati di IBM e della Rutgers University ha messo alla prova questo concetto su larga scala. Hanno costruito un circuito quantistico su un processore superconduttore che imita un famoso modello matematico noto come mappa di Bernoulli. Nella sua forma classica, questa mappa prende un numero, lo raddoppia e mantiene solo la sua parte frazionaria, un processo che rapidamente sconvolge qualsiasi valore iniziale in caos. I ricercatori hanno creato una versione quantistica di questa mappa, dove lo "scrambling" (la rimescolanza) è eseguito da porte quantistiche casuali che mescolano insieme le informazioni dei qubit. Per contrastare questo caos, hanno introdotto un meccanismo di controllo: a intervalli casuali, misuravano un qubit specifico e, in base al risultato, lo resettavano a uno stato iniziale noto. Ciò ha creato una competizione tra le forze di rimescolanza che cercavano di diffondere l'informazione ovunque e le forze di controllo che cercavano di vincolare il sistema a un singolo stato ordinato.

L'esperimento è stato condotto su un processore quantistico IBM utilizzando fino a cento qubit, un passo significativo rispetto ai tentativi precedenti che erano limitati a poche decine. I ricercatori hanno fatto girare il circuito per migliaia di passi, permettendo al sistema di evolversi fino a raggiungere uno stato stazionario. Hanno poi osservato come si comportava il sistema mentre regolavano la frequenza delle misurazioni di controllo. Quando il controllo era debole, il sistema rimaneva caotico, con l'informazione diffusa tra tutti i qubit in una complessa rete intrecciata. Man mano che aumentavano la frequenza delle misurazioni e dei reset, il sistema subiva una variazione improvvisa. Passava da questo stato quantistico caotico a uno stato controllato e ordinato, in cui i qubit si stabilizzavano in un modello prevedibile. Questo spostamento, noto come transizione di fase, avveniva in un preciso punto di svolta dove le forze di controllo riuscivano finalmente a sovrastare il caos.

Ciò che ha reso questa scoperta particolarmente significativa è stata la capacità di osservare la transizione non solo nel comportamento medio del sistema, ma anche nelle fluttuazioni dei singoli percorsi quantistici. In un sistema classico, se si esegue lo stesso esperimento due volte, si ottiene lo stesso risultato. In un sistema quantistico, anche con la stessa identica configurazione, la natura casuale della misurazione significa che ogni esecuzione produce un risultato leggermente diverso. I ricercatori hanno misurato queste differenze, note come fluttuazioni quantistiche, e hanno scoperto che si comportavano in modo molto specifico al punto di svolta. Queste fluttuazioni crescevano e diminuivano secondo leggi universali che corrispondevano alle previsioni teoriche con alta precisione. Ciò ha confermato che il sistema si stava comportando realmente come un oggetto quantistico, seguendo le complesse regole della meccanica quantistica, piuttosto che agire come un computer classico rumoroso.

Per garantire che i loro risultati fossero genuini, il team ha confrontato i propri dati sperimentali con due diversi tipi di simulazioni informatiche. Una simulazione modellava il sistema come un computer quantistico perfetto, mentre l'altra lo modellava come un computer classico privato di tutta la coerenza quantistica, rendendolo essenzialmente un processo casuale e rumoroso. I dati sperimentali corrispondevano molto più da vicino alla simulazione quantistica perfetta che a quella classica. Ciò ha fornito una forte prova che il processore quantistico stava eseguendo con successo il complesso controllo adattivo, mantenendo la sua natura quantistica anche mentre veniva costantemente misurato e resettato. Lo studio ha anche rivelato che la transizione dal caos all'ordine non era solo un cambiamento nello stato del sistema, ma un cambiamento fondamentale dal comportamento quantistico a un comportamento effettivamente classico, dove il sistema diventava così ordinato da non esibire più la complessa entanglement tipica della meccanica quantistica.

Questo lavoro rappresenta una pietra miliare nello sviluppo della tecnologia quantistica. Coordinando con successo migliaia di operazioni quantistiche, inclusi misurazioni e reset, su un gran numero di qubit, i ricercatori hanno dimostrato un livello di controllo essenziale per la costruzione di futuri computer quantistici tolleranti ai guasti. Queste macchine dovranno monitorare e correggere costantemente i propri errori per funzionare, e questo esperimento dimostra che tale controllo adattivo è possibile anche in presenza di rumore. La capacità di osservare e comprendere queste transizioni in hardware quantistico reale avvicina gli scienziati di un passo verso l'utilizzo di tutto il potere della meccanica quantistica per risolvere problemi che sono attualmente impossibili da affrontare per i computer classici. Lo studio dimostra che, con gli strumenti giusti, anche i sistemi quantistici più caotici possono essere guidati verso uno stato di ordine, aprendo la porta a una nuova era del controllo quantistico.