Questa estrema fragilità potrebbe far sembrare l'informatica quantistica senza speranza. Ma nel 1995, il matematico applicato Peter Shor Scoprire Un modo intelligente per archiviare informazioni quantistiche. La sua codifica aveva due caratteristiche principali. Innanzitutto, può tollerare errori che interessano solo singoli qubit. In secondo luogo, veniva fornito con una procedura per correggere gli errori quando si verificavano, evitando che si accumulassero e facessero deragliare il processo di calcolo. La scoperta di Shor è stata il primo esempio di codice quantistico di correzione degli errori e le sue proprietà chiave sono le caratteristiche distintive di tutti questi codici.
La prima proprietà deriva da un principio semplice: le informazioni riservate sono meno vulnerabili quando sono divise. Le reti di spionaggio utilizzano una strategia simile. Ogni spia sa molto poco della rete nel suo complesso, quindi l'organizzazione rimane al sicuro anche se un individuo viene catturato. Ma i codici di correzione degli errori quantistici portano questa logica all'estremo. In una rete di spionaggio quantistico, nessuna spia saprebbe nulla, ma insieme saprebbero molto.
Ogni codice di correzione degli errori quantistici è una ricetta specifica per distribuire le informazioni quantistiche su molti qubit in una sovrapposizione collettiva. Questa procedura converte efficacemente una serie di qubit fisici in un singolo qubit virtuale. Ripeti il processo più volte con un ampio set di qubit e otterrai molti qubit virtuali che puoi utilizzare per eseguire calcoli.
I qubit fisici che compongono ogni qubit virtuale sono come quelle ignare spie quantistiche. Misurane uno qualsiasi e non saprai nulla dello stato del qubit virtuale di cui fa parte, una proprietà chiamata indistinguibilità locale. Poiché ciascun qubit fisico non codifica alcuna informazione, gli errori nei singoli qubit non comprometteranno il calcolo. Le informazioni importanti sono ovunque, in un modo o nell'altro, ma da nessuna parte in particolare.
"Non puoi associarlo a nessun singolo qubit", ha detto Cubitt.
Tutti i codici di correzione degli errori quantistici possono contenere almeno un errore senza alcun impatto sulle informazioni codificate, ma alla fine si arrenderanno tutti man mano che gli errori si accumulano. E qui inizia la seconda caratteristica dei codici di correzione degli errori quantistici, che è la correzione degli errori vera e propria. Ciò è strettamente correlato all'indistinguibilità locale: poiché gli errori nei singoli qubit non distruggono alcuna informazione, è sempre possibile Annulla qualsiasi errore Utilizzando procedure stabilite per ciascun codice.
Preso per un giro
Zhi Li, un ricercatore post-dottorato presso il Peripheral Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, era esperto nella teoria della correzione degli errori quantistici. Ma l'argomento era lontano dalla sua mente quando ha iniziato una conversazione con il suo collega Latham Boyle. Era l'autunno del 2022 e i due fisici erano su una navetta serale da Waterloo a Toronto. Boyle, un esperto di piastrellatura non ciclica che all'epoca viveva a Toronto e ora lavora all'Università di Edimburgo, era un volto familiare su quelle navette, che spesso rimangono bloccate nel traffico intenso.
"Normalmente possono essere piuttosto infelici", ha detto Boyle. "È stato il più grande di sempre."
Prima di quella fatidica sera, Lee e Boyle erano a conoscenza del lavoro dell'altro, ma le loro aree di ricerca non si sovrapponevano direttamente e non avevano mai avuto una conversazione personale. Ma come innumerevoli ricercatori in campi non correlati, Lee era interessato alle tessere non periodiche. "È molto difficile non essere interessati", ha detto.