Risoluzione dei problemi di un computer quantistico e come simulare un sistema di qubit

Si dice che solo 70 qubit, di solito singoli atomi in uno stato eccitato, siano sufficienti per superare gli attuali computer ad alte prestazioni. Il computer quantistico Sycamore di Google, ad esempio, si dice che abbia proprietà fantastiche con questo piccolo numero di qubit.

Non c'è quindi da stupirsi se sembra quasi impossibile simulare i processi interni quando la potenza di calcolo è così elevata. Tuttavia, è urgente capire meglio come funziona. Tra le altre cose, il tasso di errore è attualmente estremamente elevato. In uno dei primi esperimenti di Google, era del 99,7%.

Quindi c'è un ampio margine di miglioramento, ma le possibilità di miglioramento sono limitate a causa della mancanza di simulazioni. Tuttavia, un team di ricerca del California Institute of Technology è riuscito a modellare un sistema che funziona con 60 qubit. In precedenza, il limite era di circa 38 qubit, secondo gli autori dello studio, appena pubblicato su Nature https://www.nature.com/articles/s41586-024-07173-x#Sec5.

Il fatto che sia così difficile da realizzare e che un computer quantistico sia uno strumento così promettente è dovuto all'entanglement quantistico del sistema.

Un qubit non funziona da solo, cioè non ha solo uno stato 0 o 1 come un bit. Nel caso dell'entanglement quantistico, due qubit lavorano insieme, per così dire, e gli viene nuovamente assegnato uno stato di 0 o 1. È ipotizzabile anche uno stato misto.

Il fascino è giustificato

Oltre ai 60 qubit individuali, esistono 1.800 coppie diverse che possono memorizzare informazioni. Se si passa al livello successivo con tre qubit collegati, ci sono altre 34.000 possibilità.

Il computer quantistico può quindi espandere il suo sistema esistente di 60 circuiti quasi a piacere. O come esprime l'immagine della Monna Lisa: Il computer classico può dipingere con un pennello in un solo spessore. Il computer quantistico, invece, può scegliere liberamente, ma diventa impreciso, trema un po' - una bella metafora.

Il tremolio è il problema maggiore, perché più forte è l'entanglement quantistico, più l'intero sistema diventa soggetto a errori. Se, ad esempio, un qubit può essere riconosciuto con una precisione del 90 percento, il tasso è solo del 40 percento con cinque qubit entangled e si avvicina rapidamente a zero per i poteri che caratterizzano effettivamente un computer quantistico.

Il fatto che sia stato possibile simulare questo numero presumibilmente gestibile di combinazioni di qubit è merito di un trucco. Le possibilità di entanglement sono state limitate nella simulazione. Questo dà almeno un'idea delle capacità e consente di visualizzare aspetti parziali del sistema.

L'obiettivo è ottenere "solo" il 91% di risultati errati. Per raggiungere questo obiettivo, un qubit dovrebbe essere letto correttamente con il 96 percento di probabilità. Questo sembra fattibile se non coinvolgesse gli atomi eccitati in un computer quantistico.

Nel video, alcuni ricercatori del Caltech cercano di spiegare l'entanglement quantistico. Inoltre, molto interessante!