A thermal microwave bus for neutral atom quantum computing

Costruire un computer in grado di risolvere problemi che vanno oltre la portata di qualsiasi macchina odierna richiede un delicato gioco di equilibrio. Gli scienziati stanno esplorando diverse strade per costruire queste macchine quantistiche, con uno degli approcci più promettenti che utilizza singoli atomi tenuti in posizione da fasci di luce, proprio come minuscole perline su un filo invisibile. Questi atomi agiscono come le unità di base dell'informazione, o qubit. Per far funzionare il computer, questi qubit devono essere in grado di comunicare tra loro per eseguire calcoli complessi. Tuttavia, gli atomi sono solitamente disposti in una griglia piatta e il metodo che utilizzano per comunicare è naturalmente a brevissimo raggio, come un sussurro che viaggia solo per pochi centimetri. Per connettere atomi distanti, i ricercatori hanno tradizionalmente dovuto spostare fisicamente gli atomi attraverso la griglia, un processo che è lento e limita la velocità con cui il computer può risolvere i problemi. La sfida, quindi, è trovare un modo per collegare atomi distanti istantaneamente senza muoverli, una capacità essenziale per i sistemi di correzione degli errori necessari per mantenere queste fragili macchine funzionanti in modo affidabile.

In uno studio recente, i ricercatori dell'University College London hanno proposto una soluzione che sostituisce il lento movimento fisico degli atomi con una connessione veloce e invisibile tramite microonde. Suggeriscono un design in cui gli atomi siedono all'interno di una scatola metallica specializzata, una cavità tridimensionale, che funge da canale di comunicazione condiviso. Invece di fare affidamento sul fatto che gli atomi si tocchino fisicamente o si avvicinino, i ricercatori dimostrano come gli atomi possano interagire attraverso le onde elettromagnetiche che rimbalzano all'interno di questa scatola. Questo approccio consente agli atomi distanti di eseguire insieme i calcoli necessari quasi istantaneamente, superando i colli di bottiglia del tradizionale metodo di movimento degli atomi. Il team ha simulato questo sistema per vedere quanto bene funzionerebbe in un ambiente del mondo reale, tenendo conto del calore e delle imperfezioni che esistono in qualsiasi dispositivo fisico. I loro risultati indicano che questa connessione basata sulle microonde può raggiungere un'accuratezza estremamente elevata, accelerando potenzialmente i passaggi più critici della correzione degli errori quantistici di un fattore di quasi cinque.

Il cuore del problema risiede in come questi computer quantistici gestiscono gli errori. Poiché gli stati quantistici sono così fragili, sono soggetti ad errori anche per il minimo disturbo. Per correggere questi errori, il computer deve controllare costantemente il proprio lavoro, un processo che richiede ai qubit di interagire con i propri vicini. Nella configurazione standard che utilizza atomi neutri, questo controllo viene effettuato spostando un atomo da un punto a un altro per incontrare il suo vicino, eseguendo un controllo e poi riportandolo indietro. Sebbene questo funzioni per i vicini prossimi, diventa un importante collo di bottiglia quando il computer deve controllare le connessioni attraverso l'intera griglia, come i bordi di un ciclo in cui la griglia si avvolge su se stessa. Il tempo necessario per spostare gli atomi attraverso una grande griglia cresce con la dimensione della griglia, rallentando infine l'intero sistema fino a renderlo strisciante. I ricercatori si sono resi conto che, se avessero potuto creare una connessione che si estende a tutta la griglia senza muovere nulla, avrebbero potuto ridurre drasticamente il tempo necessario per questi controlli.

Per raggiungere questo obiettivo, il team ha progettato un sistema in cui gli atomi sono accoppiati a una cavità a microonde. In questa configurazione, gli atomi sono tenuti in posizione da pinzette ottiche, che sono fasci di luce focalizzati, all'interno di una cavità fatta di metallo superconduttore. Questa cavità è sintonizzata su una specifica frequenza di microonde che corrisponde alla differenza di energia tra due stati eccitati specifici dell'atomo, noti come stati di Rydberg. Quando gli atomi si trovano in questi stati, possono scambiare energia con il campo di microonde all'interno della scatola. I ricercatori hanno proposto un'architettura a quattro livelli in cui l'informazione è memorizzata nello stato fondamentale stabile dell'atomo, ma per il calcolo, l'atomo è brevemente collegato al campo di microonde attraverso questi stati eccitati. Ciò consente al campo di microonde di agire come un bus, trasportando l'informazione tra qualsiasi coppia di atomi nell'array, indipendentemente da quanto siano distanti.

Il team ha prima testato due metodi esistenti per utilizzare questa connessione a microonde. Un metodo prevede lo scambio degli stati di due atomi, mentre l'altro utilizza un drive per creare uno specifico spostamento di fase. Hanno simulato questi metodi in condizioni realistiche, inclusi i fotoni termici — piccoli pacchetti di energia che esistono nella cavità a causa del calore — e il decadimento naturale degli stati atomici. Hanno scoperto che, sebbene questi metodi funzionino, la loro accuratezza diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura o man mano che gli atomi perdono energia. Le simulazioni hanno mostrato che, affinché questi approcci tradizionali raggiungano le alte fedeltà richieste da un computer utile, il sistema dovrebbe essere mantenuto estremamente freddo, e anche in quel caso, i tassi di errore erano più alti di quanto desiderato.

Per superare queste limitazioni, i ricercatori hanno introdotto una nuova tecnica chiamata porta Raman bicromatica. Questo metodo utilizza due diversi fasci laser per interagire con gli atomi, creando una connessione molto più robusta contro il calore e il decadimento. A differenza dei metodi precedenti, questa porta non richiede che gli atomi rimangano nello stato eccitato di Rydberg per molto tempo; invece, essa visita quello stato solo virtualmente, il che significa che l'atomo vi trascorre quasi zero tempo. Questa è una distinzione cruciale perché gli stati eccitati sono a breve durata e soggetti a errori. Evitando una lunga permanenza in questi stati, la porta minimizza la possibilità che l'atomo decada e perda la sua informazione. Inoltre, il design dei due fasci laser è tale da cancellare le variazioni indesiderate causate dal campo di microonde, rendendo la porta altamente resistente al rumore termico che ha afflitto i metodi precedenti.

Le simulazioni per questa nuova porta bicromatica sono state sorprendentemente efficaci. I ricercatori hanno scoperto che può raggiungere una fedeltà di 0,997, il che significa che esegue l'operazione corretta il 99,7% delle volte. Questo livello di accuratezza è ben entro l'intervallo necessario per l'informatica quantistica tollerante ai guasti. La porta funziona creando una forza sul campo di microonde che dipende dallo stato degli atomi. Mentre gli atomi interagiscono con il campo, tracciano un percorso nello spazio delle fasi del campo e, quando questo percorso si chiude in un ciclo, lascia un'impronta di fase specifica sugli atomi che rappresenta il calcolo. Poiché la porta è progettata per essere simmetrica, cancella naturalmente molti degli errori che altrimenti si accumulerebbero. Il team ha anche dimostrato che questo metodo può essere utilizzato per creare stati multi-atomo complessi, come gli stati di Greenberger-Horne-Zeilinger, che sono essenziali per molti algoritmi quantistici, con un'alta accuratezza anche all'aumentare del numero di atomi.

Il vero potere di questa scoperta diventa evidente quando si osserva come influisce sulla velocità della correzione degli errori. I ricercatori hanno applicato le loro scoperte a un tipo specifico di codice di correzione degli errori noto come codice torico, che è disposto su una griglia con confini periodici, avvolgendo efficacementamente i bordi della griglia per formare un toro. In questo codice, alcuni dei controlli necessari devono essere eseguiti tra atomi situati ai lati opposti della griglia. Nell'approccio tradizionale con il movimento degli atomi, chiudere questi cicli richiede il trasporto fisico degli atomi attraverso l'intera griglia, un processo che richiede un tempo proporzionale alla radice quadrata della dimensione della griglia. Al contrario, la porta a cavità a microonde può connettere questi atomi distanti istantaneamente, con il tempo richiesto che scala solo linearmente con il numero di porte necessarie.

Per un array di dimensioni realistiche, le simulazioni hanno mostrato che l'uso della porta a microonde per chiudere i confini periodici del codice torico ha accorciato il tempo per un intero round di correzione degli errori di un fattore di 2,3. Ciò significa che il computer può controllare e correggere gli errori più di due volte più velocemente rispetto al metodo tradizionale. I ricercatori hanno poi esteso questa analisi a una famiglia più ampia di codici noti come codici a bicicletta bivariate, che sono progettati per essere più efficienti ma richiedono connessioni a lungo raggio ancora più complesse. Per questi codici, l'accelerazione è stata ancora più drammatica, riducendo il tempo per un intero round di correzione degli errori di un fattore di 4,8. Ciò suggerisce che il bus a microonde potrebbe essere un elemento di svolta per gli schemi di correzione degli errori quantistici più avanzati, permettendo loro di girare molto più velocemente ed efficientemente di quanto precedentemente ipotizzato.

Lo studio ha affrontato anche la questione del parallelismo, ovvero la capacità di eseguire più porte contemporaneamente. Sebbene la cavità a microonde sia una singola risorsa condivisa, i ricercatori hanno dimostrato che, sintonizzando attentamente le frequenze dei drive laser, è possibile eseguire porte su diverse coppie di atomi simultaneamente senza che interferiscano tra loro. Questa capacità è vitale per scalare il computer per gestire problemi più grandi. Sebbene la fedeltà di queste porte parallele fosse leggermente inferiore a quella delle porte singole, rimaneva sufficientemente alta da essere utile. Il team ha osservato che i progetti futuri potrebbero migliorare ulteriormente questo aspetto utilizzando più modi di cavità o stati atomici aggiuntivi, ma anche con l'attuale configurazione a singolo modo, il potenziale di accelerazione è significativo.

In definitiva, questo lavoro fornisce una strada concreta per i computer quantistici ad atomi neutri. Sostituendo il lento processo meccanico di movimento degli atomi con una connessione mediata da microonde veloce, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile raggiungere le interazioni ad alta velocità e alta fedeltà necessarie per la correzione degli errori quantistici su larga scala. Le simulazioni dimostrano che questo approccio non è solo teoricamente solido, ma è anche robusto contro il rumore termico e le imperfezioni inevitabili negli esperimenti del mondo reale. Sebbene il documento si basi su simulazioni piuttosto che su esperimenti fisici, i parametri utilizzati sono basati su valori realistici per la tecnologia attuale, come la qualità delle cavità superconduttrici e la durata degli atomi di Rydberg. I risultati suggeriscono che costruire un computer quantistico con un bus a microonde potrebbe risolvere il collo di bottiglia della connettività che ha a lungo ostacolato lo sviluppo di queste macchine, portando il sogno di un computer quantistico tollerante ai guasti significativamente più vicino alla realtà.