Circuiti superconduttori: funzionano codificando ogni qubit nei livelli di energia delle coppie di Cooper su lati opposti di una giunzione Josephon. I loro vantaggi sono coerenza, velocità di elaborazione e facilità di fabbricazione. Inoltre, possono continuare a essere utilizzati man mano che la tecnologia matura e vengono aggiunti più qubit. Tuttavia, il ridimensionamento, la calibrazione, l’elettronica di controllo e il raffreddamento sono impegnativi.
qubit di spin: nei sistemi di qubit di spin, ogni qubit è codificato nello spin elettronico di un punto quantico semiconduttore. Le porte a due qubit sono stabilite tra elettroni aggrovigliati su un chip di silicio e i qubit sono controllati dall’elettronica a microonde. Le loro piccole dimensioni e la semplicità di fabbricazione sono grandi vantaggi, ma devono affrontare molte delle sfide dei superconduttori, come la fedeltà di scala e l’elettronica di controllo.
Atomi neutri: in questa tecnologia, un qubit è codificato in due livelli di stato fondamentale iperfine di un atomo. I suoi vantaggi vanno dal ridimensionamento alla coerenza e al raffreddamento, ma le sue sfide si concentrano sul ridimensionamento a un milione di qubit, sull’elettronica di controllo e sui tassi di errore, che non sono ancora chiaramente possibili.
Ioni intrappolati: qui ciascuno qubit è codificato in due stati di livello energetico di uno ione. Le porte a due qubit sfruttano l’accoppiamento tra l’elettrone e il fonone, tra lo stato dell’elettrone eccitato di uno ione e le modalità vibrazionali della catena ionica. Questi ioni intrappolati hanno il vantaggio dei tassi di errore più bassi tra le tecnologie che abbiamo esaminato per piccoli sistemi di porte a due qubit, nonché requisiti di raffreddamento inferiori rispetto ad altre tecnologie basate sugli atomi. Anche la fedeltà su larga scala è meno una sfida, poiché i qubit possono essere fisicamente spostati e manipolati. Tuttavia, l’aumento dei qubit in questi sistemi è l’ostacolo più importante.
Pubblicità
Sfide del calcolo quantistico
Nonostante i notevoli progressi, il calcolo quantistico deve ancora affrontare molti ostacoli tecnologici che ne limitano le applicazioni, la scalabilità e l’affidabilità per il momento.
A causa della loro fragilità, dell’interconnessione dei qubit, della decoerenza e del rumore esterno, i sistemi quantistici sono inclini agli errori. Pertanto, è necessario migliorare le strutture quantistiche fault-tolerant, i tempi di coerenza dei qubit e i metodi di correzione degli errori.
D’altro canto, la creazione di hardware quantistico (sistemi di raffreddamento criogenici, circuiti di controllo e fabbricazione di qubit) rimane una sfida tecnica che richiede cooperazione interdisciplinare e creatività.
Decoerenza
Rispetto ai computer classici, i computer quantistici sono estremamente sensibili al rumore, poiché lo stato quantistico dei qubit è molto fragile e qualsiasi perturbazione, come una leggera vibrazione o un cambiamento di temperatura, può influenzarli in modo incontrollato, causando la perdita delle informazioni memorizzate.
La decoerenza rappresenta una sfida nel calcolo quantistico, poiché, per evitare errori, i calcoli devono essere completati prima che si verifichi la decoerenza. Mentre aumentare il tempo di coerenza di un qubit è un’importante area di ricerca, un approccio popolare per affrontarlo è lo sviluppo di codici di correzione degli errori.
Sebbene i codici di correzione degli errori non siano un concetto nuovo, diventano molto più impegnativi nell’ambiente quantistico rispetto a quello classico e possono manifestarsi in spostamenti di fase, spostamenti di bit o una combinazione di entrambi. Inoltre, i qubit non possono essere replicati nello stesso modo dei bit classici, richiedendo codici di correzione molto più complessi.
In questo processo, le informazioni quantistiche memorizzate in un qubit logico vengono protette dagli errori codificandole in diversi qubit fisici. Esistono ora molti codici di correzione degli errori ampiamente utilizzati, ognuno dei quali rappresenta un modo diverso di codificare le informazioni quantistiche, come il codice Shor, il codice Steane o il codice Surface.
Scalabilità
La scalabilità si riferisce alla capacità di aumentare il numero di qubit in un sistema quantistico per consentire la risoluzione di problemi più complessi.
È un processo molto complesso a causa della difficoltà di collegare un gran numero di qubit per creare sistemi più grandi. Una possibile soluzione è l’uso di tecniche di correzione degli errori che comportano la creazione di ridondanza nel sistema per consentire il rilevamento e la correzione degli errori.
Tuttavia, per avere successo, queste tecniche richiedono l’uso di qubit aggiuntivi e algoritmi complessi, che possono complicare ulteriormente il processo di ridimensionamento.
Implementazione fisica
Esistono diversi metodi per costruire computer quantistici, come circuiti superconduttori, ioni intrappolati e qubit topologici. Ogni metodo ha le sue difficoltà e non è ancora chiaro quale sarà il più fattibile per il calcolo quantistico su larga scala.
Costi e accessibilità
Attualmente, i computer quantistici sono costosi e richiedono ambienti molto specializzati per funzionare. Pertanto, una delle grandi sfide per questa tecnologia è renderla accessibile per un uso diffuso.
Forza lavoro ed esperienza
Il campo del calcolo quantistico richiede una profonda comprensione della meccanica quantistica, dell’informatica e dell’ingegneria, profili in cui c’è già una carenza di talenti individuali.
