I computer, sia tradizionali sia quantistici, hanno finora offerto la possibilità di usare i bit, il cui valore è pari o a 0 o a 1. I qubit consentono invece di rappresentare entrambi gli stati contemporaneamente. Rigetti, azienda attiva nello sviluppo di computer quantistici, ha invece annunciato una sperimentazione che consentirà ai programmatori di usare i cosiddetti qutrit, ovvero qubit in grado di rappresentare tre stati anziché due.
Rigetti sperimenta con i qutrit, i qubit con tre stati
Rappresentazione matematica degli stati: a sinistra i qubit, a destra i qutrit
Storicamente i computer hanno usato il bit, un’unità che rappresenta i due valori 0 e 1, intuitivamente associati al concetto di “spento” e “acceso”. Tramite questo sistema binario è possibile rappresentare qualunque numero e, dopo opportuni processi di codifica, potenzialmente qualunque altra informazione. Tuttavia, l’approccio binario fa sì che siano necessari molti bit per rappresentare numeri grandi (e altre informazioni codificate con numeri grandi). Ciò ha un suo svantaggio nella progettazione dei circuiti, che diventa di conseguenza molto complessa – probabilmente di più di quanto sarebbe se si potesse implementare un processore in grado di effettuare elaborazioni su base 10, ad esempio.
Rigetti, startup tra i pochi produttori di computer quantistici al mondo, ha affermato di essere andata oltre il mondo binario per approdare in quello ternario con il qutrit, ovvero un qubit in grado di rappresentare tre stati: 0, 1 e 2. Si tratta di un cambiamento non da poco non solo perché cambia un assunto di base dell’informatica, che si operi su base binaria, ma anche perché porta a cambiamenti significativi nei computer quantistici.
I processori quantistici di Rigetti usano dei superconduttoriper funzionare; più nello specifico, usano transmoni basati su oscillatori anarmonici. Ciascun oscillatore è caratterizzato da diversi stati energetici, la cui distanza tra l’uno e l’altro si riduce mano a mano che si va verso stati di maggiore eccitazione. Tutti i principali produttori di computer quantistici sfruttano solo i primi due stati, che possiamo paragonare ai classici “0” e “1”, ma è teoricamente possibile spingersi oltre e usare anche gli altri stati, così che ciascun qubit fisico possa contenere un maggior numero di informazioni.
L’introduzione di un terzo stato rappresenta un’opportunità non indifferente: Rigetti afferma che i qutrit potrebbero migliorare la resa dei computer quantistici, diminuendone gli errori in fase di lettura fino al 60%. Ciò avverrebbe in maniera controintuitiva, dato che l’introduzione del terzo stato riduce drasticamente il tempo di coerenza, ovvero il tempo in cui il qubit (o qutrit, in questo caso) mantiene le informazioni e consente di elaborarle. Il tempo di coerenza dei qutrit è di qualche microsecondo (milionesimi di secondo), dunque sarebbe sufficiente per eseguire operazioni utili.
Il vantaggio più rilevante, secondo Rigetti, sta nel fatto che i qutrit sono in grado di rappresentare molte più combinazioni a parità di circuiti usati e, pertanto, sono in grado di eseguire operazioni che richiederebbero tre circuiti con solo due: due qubit permettono infatti di ottenere quattro combinazioni (00, 01, 10, 11) e tre qubit portano a otto (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), mente due soli qutrit permettono di ottenerne ben nove (00, 01, 02, 10, 11, 12, 20, 21, 22). Già solo con dieci qutrit la differenza tra i valori rappresentabili è significativa: 2¹⁰ equivale a 1.024, mentre 3¹⁰ equivale a 59.049!
Ci si può dunque chiedere perché non spingersi oltre e creare i qutetrit (per analogia con i precedenti: dal greco “tetra”, quattro): Rigetti spiega che a quel punto il tempo di coerenza diventa troppo ridotto per poter sfruttare efficacemente il nuovo stato. Ciò non significa necessariamente che in futuro non si arrivi a farlo, ma solo che non è attualmente fattibile.
Per sfruttare i nuovi qutrit, Rigetti mette a disposizione Quil-T (un gioco di parole: “quill”, con due “l”, significa “piuma” o “penna”; “quilt” vuol dire “trapunta”), un’estensione del linguaggio di programmazione Quil già reso pubblico dall’azienda.
È ancora presto per capire se e quanto i computer quantistici basati su superconduttori avranno successo: recentemente IBM ha annunciato un nuovo record, con il processore Eagle da 127 qubit, ma dall’altro lato una ricerca di Google ha svelato come i raggi cosmici siano un problema per questi dispositivi. Sarà interessante assistere all’evoluzione del settore.