Ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell’Università di Chicago, di Harvard, della Stony Brook University e di Quantinuum hanno dimostrato sperimentalmente tutte le operazioni necessarie per il calcolo quantistico universale basato su anyoni non abeliani. Lo studio, pubblicato su Nature, ha fornito la prima prova sperimentale del fatto che questo approccio può offrire un insieme di operazioni sufficientemente ampio da eseguire diversi algoritmi quantistici.
Poiché i computer quantistici sono molto sensibili agli errori, le informazioni vengono generalmente distribuite su un gran numero di qubit fisici. Tuttavia, i metodi di correzione degli errori non forniscono automaticamente tutte le operazioni necessarie per il calcolo universale sulle informazioni protette. La generazione degli “stati magici”, utilizzata per colmare questa lacuna, richiede invece un processo costoso, noto come distillazione degli stati magici, che può consumare un gran numero di qubit. I ricercatori hanno affermato che i codici non abeliani potrebbero eliminare questa fase.
Gli anyoni non abeliani non esistono in natura come particelle indipendenti; vengono creati nei circuiti quantistici attraverso l’entanglement di numerosi qubit convenzionali. L’informazione viene elaborata modificando gli stati interni degli anyoni quando uno di essi viene fatto muovere intorno all’altro. In queste operazioni di “braiding”, l’ordine dei movimenti è importante. La distribuzione dell’informazione su numerosi qubit entangled può inoltre proteggerla da alcune piccole perturbazioni.
Nel 2024 i ricercatori avevano creato, nel computer quantistico a ioni intrappolati di Quantinuum, anyoni associati al gruppo di simmetria D4, che preserva le rotazioni e le riflessioni del quadrato. Tuttavia, il solo braiding non era sufficiente per il calcolo universale. Nel nuovo studio, il team ha utilizzato la simmetria S3, che preserva le rotazioni e le riflessioni speculari del triangolo equilatero, per creare anyoni con 54 qubit entangled nel processore H2 di Quantinuum.
Nel sistema S3, l’universalità si basa sull’uso del braiding insieme all’operazione di “fusione”. In questa operazione, due anyoni vengono riuniti e lo stato risultante viene misurato. Il team ha creato qutrit topologici capaci di trasportare tre livelli di informazione, invece di qubit binari. Il braiding ha consentito di realizzare una porta di entanglement, mentre la fusione ha permesso di effettuare due misurazioni diverse. Insieme, questi tre strumenti rendono in linea di principio possibile qualsiasi operazione quantistica, comprese quelle che il solo braiding non è in grado di eseguire.
Nell’esperimento sono stati inoltre prodotti direttamente stati magici mediante operazioni topologiche; tuttavia, non è stata applicata una correzione attiva degli errori. I ricercatori hanno affermato che la fase successiva consiste nell’integrare queste operazioni con la correzione attiva degli errori.
Perché è importante
L’importanza dello studio risiede nel fatto che mostra un possibile percorso alternativo alla distillazione degli stati magici, utilizzata per fornire la varietà di operazioni necessaria al calcolo quantistico universale. Questo approccio solleva la questione se sia possibile ridurre le risorse necessarie per elaborare, nei sistemi con correzione degli errori, informazioni distribuite su numerosi qubit fisici. I risultati aprono un nuovo ambito di ricerca sia per i ricercatori sia per i team che sviluppano hardware quantistico, in relazione all’obiettivo di non limitare gli algoritmi quantistici soltanto a determinate operazioni. Tuttavia, l’esperimento non ha verificato direttamente durante l’elaborazione la capacità del metodo di proteggere dalle piccole perturbazioni. Pertanto, la questione ancora aperta è in quale misura le operazioni dimostrate saranno affidabili e applicabili in termini di risorse quando verranno integrate con la correzione attiva degli errori.