Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
Questo articolo riporta il benchmarking sperimentale di Zeus-256, un processore quantistico a 256 qubit a temperatura ambiente basato su diamante NV che utilizza un nuovo bus quantistico biomolecolare otticamente programmabile, il quale ha eseguito con successo algoritmi complessi inclusi l'algoritmo di Shor per interi a 84 bit e protocolli di entanglement ad alta fedeltà, sebbene non dimostri ancora il vantaggio quantistico.
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Il calcolo quantistico promette di risolvere problemi che sono attualmente impossibili anche per i supercomputer più potenti, ma costruire una macchina in grado di farlo è incredibilmente difficile. La sfida principale risiede nel mantenere stabili le delicate informazioni quantistiche. In molti sistemi, le minuscole particelle utilizzate per memorizzare i dati, chiamate qubit, perdono le loro proprietà speciali quasi istantaneamente se si scaldano troppo o interagiscono con l'ambiente circostante. Ciò costringe solitamente gli scienziati a raffreddare le loro macchine a temperature vicine allo zero assoluto, richiedendo sistemi di refrigerazione massicci e complessi. Un altro ostacolo è connettere questi qubit. Per eseguire un calcolo, i qubit devono comunicare tra loro, ma in molti design possono comunicare solo con i propri vicini immediati. Per portare l'informazione da un lato del chip all'altro, il computer deve far passare i dati lungo una lunga catena di vicini, il che rallenta tutto e introduce errori. La domanda che i ricercatori si sono posto è se sia possibile costruire un computer quantistico grande e utile che funzioni a temperatura ambiente e che possa connettere qualsiasi parte del suo cervello a qualsiasi altra parte senza queste catene lente e soggette a errori.
Un team di ricercatori ha ora dimostrato un nuovo tipo di processore quantistico che opera a temperatura ambiente e utilizza un materiale biologico unico per risolvere il problema della connessione. Hanno costruito un dispositivo chiamato Zeus-256, che contiene 256 unità di elaborazione attive, o qubit logici, disposte in una griglia. A differenza di altri sistemi che potrebbero riutilizzare un piccolo numero di qubit nel tempo per simulare una macchina più grande, ogni uno di questi 256 unità è attivo e lavora simultaneamente. Il processore è costruito su un piccolo cristallo di diamante contenente centri di azoto-vacanza, che sono minuscoli difetti nella struttura del diamante che fungono da qubit. Questi difetti sono controllati tramite microonde e onde radio, mentre il loro stato viene letto utilizzando la luce. L'innovazione più significativa, tuttavia, è il modo in cui i qubit comunicano tra loro. Invece di fare affidamento su fili fisici o di spostare i qubit, i ricercatori hanno posizionato uno strato speciale di materiale a base proteica sopra il diamante. Questo strato funge da ponte programmabile, o "bus quantistico", che può essere sintonizzato con la luce per connettere qualsiasi coppia di qubit, anche quelli molto distanti sul chip. Ciò consente al computer di eseguire operazioni complesse senza i soliti ritardi causati dalla distanza.
I ricercatori hanno testato questa macchina eseguendo una vasta gamma di algoritmi quantistici standard per vedere quanto bene performasse. Sono riusciti a eseguire circuiti progettati per creare stati di entanglement complessi, cercare schemi specifici ed eseguire calcoli matematici. Uno dei test più impressionanti ha coinvolto un famoso algoritmo per trovare i fattori di grandi numeri, un compito centrale per la moderna crittografia. Il team ha eseguito questo algoritmo su 11 numeri diversi, che vanno da piccoli interi a 8 bit fino a un enorme numero a 84 bit. Per il numero più grande, che richiedeva che tutti i 256 qubit lavorassero insieme, la macchina ha registrato un flag di "recupero del fattore" per l'istanza dopo 10 tentativi. Tuttavia, lo studio non rivela i divisori specifici trovati, il conteggio dei successi per ogni singolo tentativo o la probabilità di successo per tentativo. L'intero processo per questo calcolo difficile ha richiesto poco più di mezzo secondo. In un altro test, la macchina ha creato un tipo specifico di stato altamente entangled coinvolgendo tutti i 256 qubit contemporaneamente. Quando hanno misurato la qualità di questo stato, hanno scoperto che corrispondeva all'obiettivo teorico ideale con una fedeltà di quasi il 99,9 percento, indicando che l'informazione quantistica rimaneva straordinariamente stabile nonostante l'ambiente a temperatura ambiente.
Lo studio ha anche misurato quanto tempo la macchina ha impiegato per completare questi compiti. I ricercatori hanno scoperto che il tempo necessario per eseguire un programma dipendeva molto di più dalla complessità delle istruzioni e dalla struttura specifica del calcolo che dal semplice numero di qubit utilizzati. Ad esempio, alcuni calcoli che utilizzavano meno qubit hanno richiesto molto più tempo di altri che ne utilizzavano di più, semplicemente perché le istruzioni erano più intricate. Ciò suggerisce che la velocità del processore è determinata da come il software viene tradotto negli impulsi fisici che controllano il diamante, piuttosto che solo dalla dimensione del registro. Il team ha anche verificato che la macchina si stava comportando realmente in modo quantistico misurando le correlazioni tra coppie di qubit. I risultati hanno mostrato un livello di connessione che è impossibile raggiungere con la fisica classica, confermando che il dispositivo operava come un genuino sistema quantistico.
Sebbene la macchina sia un passo avanti significativo, i ricercatori sottolineano con cautela ciò che ha e non ha raggiunto. Affermano esplicitamente che questo lavoro non prova ancora che la macchina possa risolvere problemi più velocemente dei migliori computer classici, un traguardo noto come vantaggio quantistico. I dati temporali forniti sono una misura della velocità di esecuzione interna del processore e non includono il tempo necessario affinché il computer traduca il codice dell'utente o affinché la luce venga raccolta e analizzata. Il dispositivo a 256 qubit è la versione più grande che hanno costruito e testato finora. Descrivono un obiettivo ingegneristico futuro di scalare questo stesso design fino a quasi 10.000 qubit, ma chiariscono che questa versione più grande non è stata ancora costruita. Il successo attuale si basa su un materiale biologico proprietario che funge da strato di connessione, la cui esatta composizione chimica non è stata divulgata. Tuttavia, il fatto che una macchina che utilizza questo approccio possa coordinare 256 qubit a temperatura ambiente e eseguire interazioni complesse a lungo raggio suggerisce una via percorribile verso computer quantistici più grandi e pratici che non richiedano un raffreddamento estremo. Il lavoro dimostra che la combinazione di qubit basati su diamante, memoria a spin nucleare e un ponte biologico controllato dalla luce può creare un processore quantistico funzionante a temperatura ambiente capace di gestire compiti computazionali sostanziali.
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