Distributed variational quantum computing with deterministic entanglement tuning

La ricerca di costruire un computer quantistico potente affronta un ostacolo fondamentale: man mano che queste macchine crescono per risolvere problemi più complessi, le parti che le fanno funzionare iniziano a interferire tra loro, introducendo errori che possono rovinare il calcolo. Per aggirare questo problema, gli scienziati hanno proposto la costruzione di sistemi modulari, in cui molti piccoli processori quantistici sono collegati tra loro per agire come una singola, enorme macchina. La sfida risiede nel connetterli. Per far sì che queste unità separate lavorino insieme, devono condividere un tipo speciale di connessione chiamata entanglement, dove lo stato di una particella in un luogo è istantaneamente collegato a una particella lontana. Tradizionalmente, usare questa connessione per eseguire calcoli è stato come cercare di costruire una casa consumando costantemente i mattoni di cui si hanno bisogno per le pareti; ogni volta che si vuole spostare informazione tra i processori, si consuma una coppia di particelle entangled, il che è lento, dispendioso e incline all'errore.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un nuovo modo per gestire queste connessioni che evita questa sprechi. Invece di consumare l'entanglement per eseguire un compito, hanno mostrato come regolare attentamente la forza del legame tra due distanti processori quantistici senza distruggerlo. Questo metodo permette ai processori di sintonizzare la loro connessione sull'esatto livello necessario per un problema specifico, utilizzando solo aggiustamenti locali e comunicazione classica. Testando questo approccio su due diversi modelli scientifici, i ricercatori hanno dimostrato di poter preparare stati quantistici con alta precisione attraverso un'ampia gamma di intensità di connessione. Ciò suggerisce una via più pratica ed efficiente per l'informatica quantistica distribuita, dove l'attenzione si sposta dal generare costantemente nuove risorse al dare forma abilmente a quelle già condivise.

Il nucleo di questo lavoro affronta un limite specifico nel modo in cui gli scienziati collegano attualmente i computer quantistici. In una configurazione distribuita, due macchine separate, chiamiamole Alice e Bob, devono condividere una coppia di fotoni entangled per collaborare. In passato, se i ricercatori avevano bisogno di un tipo di connessione specifico che fosse più debole o più forte di quella che avevano, dovevano affidarsi a un processo chiamato filtraggio probabilistico. Questo è un po' come cercare di catturare un tipo specifico di pesce lanciando una rete e sperando di prenderlo; se non ci si riesce, bisogna gettare via la rete e riprovare. Questo metodo a tentativi ed errori è inefficiente perché scarta molti tentativi e rallenta l'intero processo. Inoltre, il modo standard di eseguire calcoli attraverso queste macchine collegate, noto come gate teleportation, richiede di consumare una nuova coppia di particelle entangled per ogni singolo passaggio del calcolo, il che diventa rapidamente troppo costoso in termini di risorse.

I ricercatori hanno proposto una strategia diversa basata su un principio matematico che dicta come gli stati quantistici possano essere trasformati. Hanno capito che, se si parte con una connessione forte e perfetta, è possibile trasformarla deterministicamente, ovvero con certezza, in una connessione più debole o di forma diversa senza perdere la risorsa. Hanno costruito un apparato sperimentale utilizzando particelle di luce, o fotoni, per testare questa idea. Hanno generato coppie di fotoni entangled e le hanno inviate a due stazioni separate. In una stazione, hanno eseguito una misurazione specifica che ha permesso loro di regolare la forza dell'entanglement tra i due fotoni. Fondamentalmente, questa regolazione non era una scommessa; era un'operazione controllata che aveva sempre successo. Se la misurazione indicava un certo esito, veniva applicata una semplice correzione all'altro fotone per garantire che la connessione finale fosse esattamente quella desiderata. Questo processo ha permesso loro di creare una gamma continua di intensità di connessione, da molto debole a molto forte, senza dover mai scartare la coppia entangled.

Per dimostrare che questa capacità di sintonizzazione fosse utile per un calcolo reale, il team l'ha applicata a due problemi scientifici ben noti. Il primo consisteva nel modellare una semplice molecola composta da un atomo di elio e uno ione di idrogeno, un sistema spesso usato per testare algoritmi di chimica quantistica. Il secondo era un modello di interazioni tra elettrone e positrone, che aiuta i fisici a comprendere le forze fondamentali della natura. Per ciascun problema, i ricercatori hanno utilizzato il loro entanglement sintonizzabile per preparare uno stato quantistico che rappresentasse la configurazione di energia minima del sistema. Hanno scoperto che, regolando la forza della connessione per adattarla alle esigenze specifiche della molecola o dell'interazione tra particelle, potevano calcolare i livelli di energia con alta precisione. Nel caso della molecola, i loro risultati erano estremamente vicini ai valori teorici noti, con un errore medio di circa 0,010 Hartree, un'unità di misura standard dell'energia nella fisica atomica. Per il modello di interazione tra particelle, hanno ottenuto un livello di successo simile, dimostrando che il loro metodo può gestire diversi tipi di problemi efficacemente.

La significatività di questo lavoro risiede nella sua efficienza e affidabilità. A differenza dei metodi precedenti che richiedevano il consumo di coppie entangled per ogni passaggio di un calcolo, questo nuovo protocollo permette ai ricercatori di riutilizzare la risorsa dell'entanglement. Possono iniziare con un legame forte e ridurlo al livello preciso richiesto dal problema in corso. Questo è particolarmente importante per i computer quantistici a breve termine, che sono ancora limitati nel numero di operazioni che possono eseguire prima che gli errori si insinuino. Riducendo l'overhead nella gestione delle connessioni, questo approccio rende più fattibile l'esecuzione di algoritmi complessi su più processori. I ricercatori hanno anche osservato che, sebbene il loro esperimento attuale utilizzasse solo due semplici processori, il metodo può essere scalato. Condividendo più coppie di particelle entangled tra processori più grandi, potrebbero teoricamente sintonizzare le connessioni per sistemi molto più complessi, fornendo un quadro flessibile per le future reti quantistiche.

I risultati di questo studio suggeriscono che il futuro dell'informatica quantistica distribuita potrebbe non dipendere dalla generazione costante di nuove connessioni perfette, ma piuttosto dalla capacità di dare forma e raffinare le connessioni che già esistono. Il team ha dimostrato che è possibile ingegnerizzare livelli specifici di entanglement per adattarsi ai requisamenti unici di diversi problemi scientifici, il tutto mantenendo un'alta fedeltà ed evitando lo spreco associato ai metodi più vecchi. Questo controllo deterministico offre un'alternativa pratica per la prossima generazione di applicazioni quantistiche, permettendo potenzialmente agli scienziati di risolvere problemi in chimica e fisica che sono attualmente fuori portata. Mentre il campo avanza, la capacità di sintonizzare precisamente i legami tra i processori quantistici potrebbe diventare importante quanto i processori stessi, trasformando la sfida di scalare in un'opportunità per un calcolo più efficiente e potente.