Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold

Nella ricerca di una macchina capace di risolvere problemi che vanno oltre le capacità degli odierni computer, gli scienziati stanno esplorando molti modi diversi per archiviare ed elaborare l'informazione. Un approccio promettente si basa sui minuscoli spin magnetici degli elettroni, che possono agire come microscopiche bussole puntando verso l'alto o verso il basso. Nella maggior parte dei progetti, i ricercatori cercano di controllare ogni singolo elettrone individualmente, trattandolo come un'unità di informazione separata. Un metodo diverso utilizza la naturale tendenza di questi elettroni a scambiarsi di posto con i propri vicini, un processo guidato da una forza fondamentale chiamata interazione di scambio. Questo metodo offre una via verso l'alta precisione perché l'interazione è semplice e robusta, ma comporta un ostacolo: gli elettroni non possono essere controllati uno per uno. Invece, devono essere raggruppati in cluster più grandi che si comportano come un sistema unico e unificato. Ciò crea un vasto e complesso panorama di stati possibili, molto più grande di quello disponibile quando si controllano unità individuali, ma rende anche il sistema più difficile da navigare e misurare.

Un team di ricercatori di HRL Quantum e Microsoft ha ora compiuto un passo fondamentale nel padroneggiare questo approccio. Hanno costruito un dispositivo contenente 48 spin elettronici e hanno dimostrato di poter manipolare l'intero gruppo con una precisione straordinaria, trattando l'intera collezione come un singolo, massiccio processore quantistico. Invece di cercare di isolare piccoli gruppi di tre spin per farli agire come bit standard, il team ha operato l'intero array in uno stato in cui lo spin magnetico totale dell'intero gruppo è zero. Questa specifica configurazione permette loro di accedere a uno spazio di possibilità che è più grande di quello che 40 bit standard potrebbero contenere, eppure sono riusciti a controllarlo senza gli errori comuni che affliggono tali grandi sistemi. Il loro lavoro mostra che abbracciando la complessità dell'intero sistema, piuttosto che combatterla, possono raggiungere un livello di accuratezza che supera altre tecnologie quantistiche d'avanguardia.

I ricercatori hanno testato il loro sistema utilizzando una serie di esperimenti rigorosi progettati per misurare quanto bene la macchina preservi l'informazione mentre esegue operazioni complesse. Hanno iniziato eseguendo sequenze casuali di interazioni di scambio di spin, chiedendo essenzialmente agli elettroni di rimescolare le proprie connessioni in modi imprevedibili. Per vedere se la macchina stava funzionando correttamente, hanno misurato quanto spesso il sistema tornava al suo stato iniziale dopo questi rimescolamenti. Hanno scoperto che per ogni singola operazione di scambio eseguita, la probabilità che il sistema commetta un errore era incredibilmente piccola, circa 3 su 10.000. Questo tasso di errore è significativamente inferiore a quanto riportato per altri tipi di computer quantistici, che tipicamente mostrano tassi di errore superiori a 1 su 1.000 per le loro operazioni di base. Questo risultato è particolarmente impressionante perché tiene conto di tutto il rumore e delle imperfezioni dell'intera sequenza di controllo, non solo delle prestazioni teoriche di un singolo componente.

Per comprendere come l'informazione si diffonda attraverso questo enorme gruppo di elettroni, il team ha eseguito un test più avanzato noto come correlatore fuori dal tempo (out-of-time-order correlator). In questo esperimento, hanno introdotto una piccola perturbazione in una parte del sistema e poi hanno osservato come tale perturbazione si propagasse attraverso l'intero gruppo di 48 spin. Hanno osservato che l'informazione non rimaneva ferma; al contrario, si frammentava e si diffondeva attraverso il dispositivo in un modello simile a un'onda. Misurando lo stato di coppie specifiche di elettroni alla fine del processo, potevano vedere esattamente come la perturbazione iniziale avesse influenzato il resto del sistema. I risultati corrispondevano alle simulazioni al computer di una macchina perfetta e priva di rumore con una precisione sorprendente, confermando che gli elettroni interagivano esattamente come previsto dalle leggi della fisica, anche in un arrangiamento così grande e complesso.

Il team ha anche esplorato come il sistema si comporta simulando un tipo specifico di materiale magnetico, noto come catena di spin di Heisenberg. Hanno programmato gli elettroni per imitare le interazioni presenti in questo materiale, regolando la forza delle connessioni tra i vicini per vedere come il sistema rispondeva. Hanno osservato chiari modelli di onde che viaggiavano avanti e indietro attraverso la catena, riflettendosi alle estremità e interferendo tra loro. Questi modelli cambiavano in modi prevedibili a seconda delle impostazioni scelte, dimostrando che il dispositivo poteva riprodurre fedelmente la dinamica di modelli fisici complessi. Sebbene il sistema non sia ancora abbastanza grande da risolvere problemi impossibili per i computer classici, la capacità di simulare queste interazioni magnetiche con un'altissima fedeltà suggerisce che la tecnologia stia maturando rapidamente.

Uno degli aspetti più significativi di questo lavoro è il metodo utilizzato per misurare il successo. Invece di guardare alle prestazioni di singoli gate o piccoli gruppi di spin, i ricercatori hanno valutato l'intero sistema come un tutto. Hanno trattato i 48 spin non come una collezione di bit separati, ma come un'unica entità interconnessa. Questo approccio ha permesso loro di utilizzare l'intera gamma di stati disponibili per il sistema, inclusi quelli che sono solitamente considerati errori o "perdite" (leakage) in altri design. Facendo ciò, sono stati in grado di estrarre un quadro molto più accurato delle reali capacità della macchina. I dati hanno rivelato che gli errori nel sistema non sono solo glitch casuali, ma includono schemi coerenti e prevedibili che possono essere modellati e compresi. Questa intuizione è cruciale per i miglioramenti futuri, poiché indica la strada verso una migliore l'hardware di controllo e le tecniche di calibrazione.

I ricercatori riconoscono che, sebbene il loro dispositivo funzioni eccezionalmente bene, non è ancora un computer completamente tollerante ai guasti capace di eseguire qualsiasi algoritmo senza errori. Il tasso di errore che hanno misurato, pur essendo basso, si accumulerebbe comunque in calcoli molto lunghi, finendo per compromettere i risultati. Tuttavia, il fatto che abbiano raggiunto errori così bassi su un sistema di questa dimensione è un forte indicatore che l'approccio basato solo sullo scambio è praticabile. Suggerisce che, con ulteriori raffinamenti nell'elettronica di controllo e nel modo in cui gli impulsi vengono somministrati agli spin, i tassi di errore potrebbero essere ridotti ulteriormente. Il lavoro del team fornisce una tabella di marcia chiara su come scalare questi sistemi, mostrando che le sfide del controllo di grandi gruppi di elettroni non sono insormontabili.

Nel contesto più ampio del calcolo quantistico, questo studio offre un'alternativa convincente alle strategie dominanti che si affidano al controllo dei singoli qubit. Dimostra che c'è valore nel lavorare con il comportamento collettivo di molte particelle, anche se ciò significa rinunciare alla capacità di indirizzarle individualmente. L'alta fedeltà raggiunta in questo esperimento suggerisce che l'interazione di scambio è uno strumento potente per costruire macchine quantistiche. Mentre il campo avanza, le lezioni apprese da questo sistema a 48 spin influenzeranno probabilmente il modo in cui i futi dispositivi saranno progettati e testati. La capacità di accedere e controllare uno spazio di Hilbert così vasto con alta precisione apre nuove possibilità per simulare materiali complessi e risolvere problemi difficili, portando la visione di un computer quantistico pratico un passo più vicino alla realtà.