L’informatica quantistica rappresenta la frontiera ultima della tecnologia, promettendo di superare i limiti dei computer classici attraverso la manipolazione di un gran numero di qubit o, nel caso dei sistemi ottici, di modi luminosi simultaneamente. Tuttavia, man mano che questi sistemi diventano più complessi e su larga scala, la capacità di analizzare e comprendere i calcoli interni — un processo noto come Tomografia del Processo Quantistico (QPT) — è diventata un ostacolo quasi insormontabile. La tecnologia QPT esistente richiedeva un carico di lavoro di analisi che aumentava in modo esponenziale con il numero di modi ottici, limitando di fatto l’analisi a un massimo di cinque segnali luminosi.
Un risultato rivoluzionario arriva ora dalla Corea, dove il team di ricerca del professor Ra Young-Sik presso il KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ha sviluppato un’innovativa tecnologia QPT in grado di analizzare complesse operazioni quantistiche multi-ottiche, superando i limiti di scalabilità e aprendo nuove strade per l’avanzamento del quantum computing.
Affinché un computer quantistico possa effettivamente offrire un vantaggio significativo (quantum supremacy) rispetto ai suoi omologhi classici, è imperativo che possa manipolare contemporaneamente un gran numero di unità quantistiche. Nel contesto ottico, questo significa correlare un numero crescente di segnali luminosi (modi). Il problema risiede nella natura stessa della QPT, che, analogamente a una TAC medica, ricostruisce le strutture interne invisibili basandosi su diverse fonti di dati esterni. Per i sistemi quantistici, la quantità di dati sperimentali richiesta per ricostruire i principi operativi interni cresceva in modo esponenziale, rendendo l’analisi impraticabile per qualsiasi sistema con più di pochi modi.
Il team del KAIST ha superato questa “barriera di calcolo” introducendo una nuova espressione matematica in grado di descrivere con precisione i complessi processi ottici non lineari che si verificano all’interno dei computer quantistici. Questa metodologia innovativa consente l’analisi di operazioni su vasta scala utilizzando una quantità di dati significativamente ridotta.
Per comprendere appieno il funzionamento di un calcolo quantistico reale, il team ha dovuto distinguere e osservare separatamente due aspetti critici che influenzano la luce mentre interagisce e si muove all’interno del sistema:
- La Matrice di Amplificazione: Questa matrice descrive come la luce viene amplificata e come le sue proprietà quantistiche cambiano idealmente durante il calcolo. Rappresenta il cambiamento voluto e mirato del processo quantistico.
- La Matrice del Rumore: Questa matrice cattura gli inevitabili cambiamenti “non ideali” — il rumore e la perdita causati dall’interazione del sistema quantistico con l’ambiente esterno (decoerenza).
Sviluppando questa differenziazione, i ricercatori hanno creato una vera e propria “mappa degli stati quantistici” che permette di osservare in modo accurato e separato sia le proprietà quantistiche ideali sia il rumore del mondo reale. Inserendo vari tipi di “segnali luminosi” (stati quantistici) e osservando come i risultati cambiano, hanno potuto utilizzare una tecnica statistica (la stima di massima verosimiglianza) per effettuare il reverse engineering dei calcoli eseguiti internamente, chiarendo in modo più realistico il funzionamento di un computer quantistico sotto stress.
Il successo di questa nuova metodologia è stato dimostrato con un risultato sperimentale che segna un primato mondiale: i ricercatori sono riusciti a chiarire operazioni quantistiche su larga scala in cui ben 16 modi ottici (segnali luminosi) sono correlati tra loro. La quantità di calcolo richiesta per questa analisi è stata drasticamente ridotta rispetto ai metodi esistenti, che si fermavano in pratica a circa 5 modi.
Questo risultato non è solo un traguardo tecnico, ma un progresso fondamentale per l’intero campo. Il professor Ra Young-sik ha giustamente sottolineato che questa ricerca aumenta in modo significativo l’efficienza della tomografia computazionale quantistica, una tecnologia fondamentale. L’efficacia nel gestire operazioni su larga scala con meno dati contribuirà notevolmente ad aumentare la scalabilità e l’affidabilità di tutte le tecnologie quantistiche future, dall’informatica alla comunicazione quantistica fino al rilevamento (sensing).
Lo studio, frutto del lavoro congiunto di studenti di master e dottorato del KAIST e del professor Kim Myeong-sik dell’Imperial College di Londra, è stato ufficialmente riconosciuto e pubblicato l’11 novembre sulla prestigiosa rivista accademica internazionale Nature Photonics, un chiaro segnale dell’importanza di questa innovazione globale.