Calcolo quantistico, Google inverte il tempo dei qubit

I circuiti quantistici possono essere manipolati in modo da invertirne l'evoluzione temporale e quindi anche la direzione del flusso delle informazioni. Ma attenzione: non si tratta di una "macchina del tempo", bensì di una simulazione reversibile, che può però fornire preziose indicazioni per migliorare le prestazioni di queste nuove macchine. Tutto questo, appunto, lo suggerisce uno studio, pubblicato sulla rivista "Nature", condotto dagli scienziati di Google Research a Mountain View.

Il team, guidato da Hartmut Neven, ha misurato una grandezza chiamata correlatore fuori ordine temporale (Otoc) in un processore quantistico superconduttore. Gli Otoc permettono di osservare come un piccolo disturbo introdotto in un punto del sistema si propaghi tra i qubit, diventando via via più difficile da "ricostruire": in pratica, misurano quanto rapidamente l'informazione quantistica si diffonde e si confonde. Gli Otoc, sostengono gli scienziati, potrebbero - per ora solo in linea teorica - servire da strumento per comprendere ancora di più le potenzialità dei computer quantistici e costruire dimostrazioni verificabili di prestazioni superiori a quelle classiche. Costruire computer quantistici che raggiungano prestazioni sufficientemente elevate da raggiungere il cosiddetto "vantaggio quantistico verificabile" (per esempio per rilevare le proprietà dei sistemi quantistici che rimangono ad oggi inaccessibili al calcolo tradizionale) ed eccellere rispetto ai computer classici, è idealmente utile, ed è un obiettivo di lunga data nel calcolo quantistico. Per raggiungere questo obiettivo, tuttavia, è necessario superare una serie di problemi, riducendo, per esempio, il rumore e le imperfezioni del sistema durante la sua evoluzione.

In pratica, gli scienziati di Google hanno implementato su un processore quantistico superconduttore multiqubit (simile al Sycamore) un protocollo di inversione temporale per misurare Otoc di ordine elevato, cioè correlatori che coinvolgono più qubit - le unità fondamentali dell'informazione quantistica, che a differenza dei bit classici, si trovano in una sovrapposizione di 0 e 1. Questo, insieme all'entanglement quantistico, conferisce ai computer quantistici una notevole potenza di calcolo. Quando un qubit viene misurato, "collassa" in uno stato definito, 0 o 1, con una certa probabilità. Quindi tornando all'esperimento, che ha avuto risultati incoraggianti, gli studiosi hanno osservato come l’informazione si diffonde realmente nel chip, verificando che i segnali osservabili (gli Otoc) restano sensibili agli effetti puramente quantistici per un tempo abbastanza lungo, prima che il rumore li distrugga. Questo ha permesso di accedere a fenomeni non simulabili con metodi classici. Andando ulteriormente nel dettaglio, spiegano gli esperti, si tratta di "disturbare un sistema" (la cui trattazione matematica richiederebbe, in realtà, un altro lessico e un altro formalismo), lasciando che la perturbazione si propaghi e quindi far funzionare il sistema stesso a ritroso per tentare di invertire la confusione delle informazioni e in questo modo acquisirne di nuove.

I risultati, quindi, suggeriscono che gli osservabili sperimentali rimangono sensibili agli effetti quantistici autentici per scale temporali sufficientemente lunghe da campionare una parte significativa del processore durante la dinamica di diffusione e inversione. In questo modo, la misurazione degli Otoc rivela proprietà microscopiche dei sistemi quantistici, come dicevamo, che rimangono inaccessibili al calcolo classico. Questo aspetto, ipotizzano gli autori, aumenta la possibilità di utilizzare questo tipo di misurazioni a sistemi microscopici a molte particelle come ingrediente di una potenziale futura dimostrazione robusta del vantaggio quantistico. Gli studiosi sottolineano che i circuiti utilizzati sono ancora prototipali, ma indicano che lo schema potrebbe essere applicato a sistemi fisici reali: un passo avanti concreto verso studi capaci di sondare - e un giorno forse certificare - il vero vantaggio quantistico.