I computer quantistici promettono di risolvere problemi che richiederebbero ai computer classici migliaia di anni, ma sono incredibilmente fragili. La minima perturbazione causata dal calore o dalle vibrazioni può sconvolgere le informazioni che contengono, facendo fallire i calcoli. Per superare questo ostacolo, gli scienziati stanno costruendo computer quantistici tolleranti ai guasti, che non si affidano a componenti perfetti e privi di errori. Invece, raggruppano molte particelle fisiche per formare un singolo'unità di informazione "logica" stabile. Se una particella nel gruppo ha un malfunzionamento, le altre possono rilevare l'errore e correggerlo senza perdere i dati. Questo processo, noto come correzione degli errori quantistici, è la base della futura macchina, ma comporta un prezzo elevato: un singolo calcolo utile potrebbe richiedere milioni di particelle fisiche che lavorano all'unisono.

La sfida non è solo costruire l'hardware, ma scrivere il software per controllarlo. Gli strumenti attuali per programmare i computer quantistici sono progettati per i dispositivi rumorosi e su piccola scala di oggi. Non comprendono le regole complesse necessarie per gestire la correzione degli errori, come il modo in cui tracciare i "sindromi" che segnalano un errore o come preparare le risorse speciali necessarie per calcoli difficili. Senza un sistema software che parli il linguaggio della correzione degli errori, gli ingegneri non possono tradurre in modo affidabile un'idea di alto livello in un circuito fisico che una macchina reale possa eseguire. Un team di ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory ha colmato questa lacuna creando un nuovo compilatore, un pezzo di software che funge da traduttore tra la logica umana e il mondo rigido e corretto dagli errori di un futuro computer quantistico.

I ricercatori hanno costruito un sistema chiamato FTQC, che sta per Fault-Tolerant Quantum Computing. Considerate un compilatore come un traduttore che prende un programma scritto in un linguaggio di alto livello e lo converte nelle istruzioni specifiche che una macchina comprende. Nel mondo quantistico, questo è difficile perché la macchina non si limita a eseguire un programma; deve monitorare costantemente se stessa per errori e correggerli in tempo reale. Il nuovo sistema introduce un modo per descrivere direttamente nel codice queste unità corrette dagli errori. Invece di trattare un qubit logico come una semplice variabile, il software gli conferisce un'identità specifica che include le sue regole di correzione degli errori. Ciò consente al compilatore di controllare, ad ogni passaggio, se le operazioni eseguite siano valide per quel tipo specifico di protezione dagli errori. Se un programmatore tenta di mescolare due diversi tipi di correzione degli errori che non sono compatibili, il compilatore si ferma e segnala l'errore prima che il codice raggiunga la macchina.

Per gestire la complessità, i ricercatori hanno progettato il sistema con due livelli distinti. Il livello superiore gestisce le istruzioni logiche, ovvero la matematica e la logica di alto livello che uno scienziato desidera eseguire. Il livello inferiore gestisce la realtà fisica, le singole particelle e i gate che le manipolano. Un processo speciale nel mezzo traduce le istruzioni logiche in quelle fisiche, espandendo un singolo comando logico in un grande blocco di operazioni fisiche. Questo design assicura che lo stesso programma logico possa essere inviato a diversi tipi di hardware senza dover essere riscritto. Il sistema include anche un calcolatore integrato che stima quante particelle fisiche saranno necessarie per un dato compito. Questo è fondamentale perché il costo della correzione degli errori è alto; un semplice calcolo potrebbe richiedere una fabbrica di particelle extra solo per mantenere sicuri i dati principali.

Il team ha testato il proprio sistema utilizzando diversi algoritmi quantistici standard, tra cui un metodo per la ricerca di dati e una tecnica per l'analisi delle proprietà delle molecole. Hanno eseguito questi test su un simulatore per vedere come il software gestisse la traduzione e il conteggio delle risorse. I risultati hanno mostrato che il compilatore poteva convertire con successo programmi logici in circuiti fisici per diversi tipi di codici di correzione degli errori, inclusi il codice Steane e il codice di superficie. Uno dei risultati più rivelatori è arrivato dall'analisi di un calcolo a tre qubit noto come Trasformata di Fourier Quantistica. Il compilatore ha determinato che per eseguire questo calcolo con la correzione degli errori, il sistema avrebbe avuto bisogno di una "fabbrica di stati magici" (magic state factory) — un blocco dedicato di risorse per preparare gli stati speciali necessari per la matematica. Questa fabbrica richiedeva cinque volte più particelle fisiche dell'intero circuito codificato stesso. Ciò evidenzia un costo nascosto nell'informatica fault-tolerant: le risorse necessarie per mantenere il sistema spesso superano di gran lunga le risorse necessarie per il calcolo stesso.

Oltre alla simulazione, i ricercatori hanno portato il loro lavoro su hardware reale. Si sono rivolti a un computer quantistico superconduttore a 20 qubit dell'Oak Ridge National Laboratory. Hanno utilizzato il loro compilatore per tradurre un semplice circuito logico nelle istruzioni native della macchina. Poiché la macchina è troppo piccola per eseguire un calcolo completo corretto dagli errori, hanno usato il compilatore per generare il circuito fisico e poi hanno applicato un processo di decodifica classica ai risultati dopo l'esecuzione. I risultati sono stati promettenti: utilizzando l'informazione sulla correzione degli errori generata dal compilatore, sono stati in grado di ridurre l'errore di lettura logica di un fattore di 3,3. Ciò significa che la risposta finale era significativamente più accurata rispetto ai dati grezzi della macchina, dimostrando che l'output del compilatore poteva raggiungere con successo l'hardware fisico e migliorare la qualità dei risultati.

Questo lavoro non sostiene di aver risolto il problema della costruzione di un computer fault-tolerant. Gli esperimenti erano limitati nelle dimensioni e non hanno dimostrato la piena soglia in cui la correzione degli errori diventa perfettamente efficace. Le simulazioni hanno utilizzato modelli semplificati per alcune operazioni complesse e i test sull'hardware sono stati esecuzioni di prova di concetto piuttosto che dimostrazioni su larga scala. Tuttavia, il sistema fornisce una base pratica per la fase successiva di sviluppo. Rendendo le regole della correzione degli errori visibili e gestibili all'interno del software, i ricercatori hanno creato uno strumento che permette agli ingegneri di ispezionare, verificare e ottimizzare i propri progetti prima che vengano costruiti. Questa chiarezza è essenziale per passare dalle idee teoriche ai sistemi massicci e complessi richiesti dalla prossima generazione di calcolo quantistico.