La ricerca sui computer quantistici sarebbe impossibile senza la strumentazione di misura e collaudo RF di alta precisione

Max Werninghaus, Istituto Walther Meißner

Per risolvere problemi complessi, i computer quantistici sfruttano le proprietà naturali dei quanti. Come per i bit convenzionali, gli stati logici vengono rappresentati ed elaborati utilizzando bit quantistici (qubit). Mentre un bit convenzionale è binario, un qubit può esistere contemporaneamente in combinazioni di due stati.

Questo fenomeno è noto come sovrapposizione e non può essere spiegato utilizzando le leggi della fisica classica. La sovrapposizione è una proprietà della meccanica quantistica ed è alla base dell'enorme potenziale computazionale dei computer quantistici.

Qubit superconduttori

Attualmente la ricerca si concentra sulla realizzazione tecnica dei qubit. Un settore promettente è quello dei qubit superconduttori, che utilizzano i circuiti elettrici per immagazzinare campi elettromagnetici con un tempo di dimezzamento molto lungo grazie alla loro superconduttività senza perdite. Un circuito risonante è progettato per produrre efficacemente un sistema a due stati controllabile. La frequenza di risonanza per questo tipo di circuito è tipicamente nella gamma delle microonde, a 5 GHz. Lo stato base del circuito risonante è lo stato logico zero, mentre il primo stato eccitato è lo stato logico uno.

Il controllo sistematico di questi due stati non è ancora possibile senza strutture aggiuntive. Negli oscillatori armonici, come i circuiti risonanti LC, la distanza tra due stati energetici adiacenti è sempre uguale (armonicità). Un effetto collaterale è lo spostamento incontrollato di un segnale a microonde risonante in un circuito dallo stato base al primo stato eccitato o da uno stato eccitato arbitrario allo stato superiore successivo. Le induttanze non lineari possono annullare l'armonicità. Le giunzioni Josephson contribuiscono a creare due stati energetici distinti che possono essere utilizzati come qubit controllabili. Conferiscono alla transizione dallo stato base al primo stato eccitato una frequenza caratteristica che è unica per questa transizione. Poiché questa proprietà imita le transizioni degli elettroni atomici, i qubit superconduttori sono noti anche come atomi artificiali.

Uno stato quantistico è estremamente fragile. La temperatura di esercizio di un qubit superconduttore è di circa 10 millikelvin o circa -273 °C, cioè molto vicina allo zero assoluto. Questo è l'unico modo per mantenere il rumore termico di fondo

Controllo degli stati quantici con segnali a microonde

Lo stato energetico di un qubit può essere controllato con segnali esterni a microonde. Una sfera di Bloch illustra questo processo (Figura, a destra). Gli stati logici uno e zero si trovano ai poli nord e sud della sfera di Bloch. Ogni altro punto sulla superficie della sfera corrisponde a uno stato di sovrapposizione. Lo stato attuale è indicato dal cosiddetto vettore di stato. L'interazione con un segnale a microonde risonante causa la rotazione del vettore di stato nella sfera di Bloch.

Per eseguire operazioni di calcolo affidabili con i qubit, questa rotazione deve essere controllata con grande precisione in base alla lunghezza dell'impulso, all'ampiezza del segnale a microonde e all'inviluppo dell'impulso di controllo. La cosiddetta fase relativa dell'impulso di controllo influenza l'asse di rotazione dello stato del qubit nella sfera di Bloch. Quando al qubit vengono applicati impulsi con la stessa fase, lo stato ruota sempre, ad esempio sull'asse delle ascisse. Se un impulso viene sfasato di 90°, il vettore di stato ruoterà sull'asse delle ordinate.

Requisiti della sorgente di segnale

I generatori di forme d'onda arbitrarie sono sorgenti di segnali di controllo affidabili e flessibili. Insieme a sorgenti e miscelatori a microonde, è possibile generare gli impulsi giusti alla giusta frequenza del qubit. Grazie alla regolazione precisa della fase dell'impulso di controllo in tempo reale e al controllo esatto degli inviluppi, è possibile raggiungere in qualsiasi momento qualsiasi punto di destinazione desiderato su una sfera di Bloch da qualsiasi punto di partenza.

A differenza delle operazioni di calcolo convenzionali con un'elevata tolleranza agli errori, i computer quantistici si basano su una precisa calibrazione degli impulsi di controllo. Anche minime deviazioni nella rotazione (una rotazione eccessiva dello stato quantico dell'1%) possono alterare l'operazione quantistica risultante. Errori simili si verificano con un controllo di fase impreciso. Gli strumenti di controllo per i computer quantistici devono quindi avere un'elevata stabilità di fase e di ampiezza. Le fasi degli impulsi di controllo sono regolate dalle componenti in fase e in quadratura dell'impulso memorizzato sul generatore di forme d'onda arbitrarie.

Gli algoritmi quantistici e gli esperimenti sui computer quantistici sono complessi. Entrambi richiedono l'emissione di un gran numero di impulsi di segnale su più canali con una stabilità di fase e una sincronizzazione temporale rilevanti. Ciò comporta spesso lunghi tempi di attesa durante l'inizializzazione dell'hardware di controllo convenzionale e può in ultima analisi limitare la complessità degli esperimenti pianificati. Diversi produttori di generatori di microonde hanno recentemente iniziato a sviluppare strumenti speciali insieme agli scienziati di calcolo quantistico.

Questi strumenti possono fare molto di più dei generatori di forme d'onda arbitrarie convenzionali e soddisfare alcuni dei requisiti speciali della ricerca in questo campo. Le fasi degli impulsi possono essere gestite direttamente sullo strumento con i field programmable gate array (FPGA), riducendo drasticamente lo spazio di archiviazione richiesto. E anche i complessi algoritmi quantistici che comportano migliaia di operazioni possono essere ridotti a un insieme gestibile di operazioni fondamentali. Non è necessario memorizzare un segnale continuo nel generatore di forme d'onda arbitrarie per ogni algoritmo quantistico. È sufficiente un insieme di operazioni fondamentali e informazioni sulla sequenza di uscita. I generatori di forme d'onda arbitrarie specializzati per la ricerca sui computer quantistici supportano già tali funzioni.

Analisi del segnale per la selezione degli stati quantici

Una volta che un computer quantistico esegue un'operazione, gli stati quantici dei qubit vengono selezionati e i qubit vengono accoppiati ai risonatori di lettura. A causa dell'interazione con il qubit, la frequenza di risonanza del risonatore si sposta a seconda dello stato del qubit (Figura). Stimolandolo con un segnale di lettura vicino alla frequenza di risonanza, diventa possibile dedurre lo stato del qubit in base allo spostamento dell'ampiezza e della fase del segnale in trasmissione o in riflessione.

Gli attuali progressi della tecnologia quantistica consentono un funzionamento efficace dell'elettronica di controllo e dell'hardware quantistico. Integrando direttamente le funzioni di analisi del segnale negli strumenti, i risultati degli algoritmi quantistici possono essere osservati in tempo reale. I generatori intelligenti di forme d'onda arbitrarie semplificano il lavoro con i computer quantistici nello stesso modo in cui gli assembler sono stati a lungo utilizzati nella programmazione di computer e macchine. Una delle sfide principali è la sincronizzazione e il coordinamento delle centinaia di segnali necessari per far funzionare i computer quantistici più grandi.