Una scoperta rivoluzionaria che riutilizza elementi matematici precedentemente trascurati sta per trasformare il panorama del quantum computing. Ricercatori dell'Università della California del Sud (USC), guidati dal Professor Aaron Lauda, hanno identificato i "neglectons" — entità matematiche un tempo scartate come irrilevanti — come la chiave per sbloccare il quantum computing universale attraverso metodi topologici. Questo sviluppo promette di superare un ostacolo critico nella ricerca di computer quantistici stabili e potenti.
L'immenso potenziale del quantum computing risiede nella sua capacità di eseguire calcoli ben oltre la portata dei più avanzati supercomputer classici. A differenza dei bit classici, che possono rappresentare solo 0 o 1, i qubit sfruttano la sovrapposizione quantistica per esistere simultaneamente in più stati, conferendo alle macchine quantistiche una straordinaria capacità computazionale. Tuttavia, la realizzazione pratica di questa potenza è stata gravemente ostacolata dall'estrema fragilità dei qubit, poiché anche la minima perturbazione ambientale può corrompere i loro delicati stati quantistici, portando a errori.
Una strategia leader per combattere questa fragilità è il quantum computing topologico, che codifica le informazioni quantistiche all'interno delle proprietà geometriche di particelle esotiche note come anyoni. Il comportamento degli anyoni è determinato da come si intrecciano tra loro, creando informazioni quantistiche intrinsecamente protette. Tra gli anyoni più studiati vi sono gli anyoni di Ising, che offrono un certo grado di stabilità ma sono limitati: le loro operazioni di intreccio possono eseguire solo un sottoinsieme di calcoli quantistici, le cosiddette porte di Clifford, insufficienti per un computer quantistico general-purpose.
La svolta è emersa dalla teoria della teoria quantistica dei campi topologica non semisemplice. Questa teoria postula che la comprensione delle simmetrie di un sistema possa prevedere l'esistenza di nuove particelle sconosciute. All'interno di questo quadro teorico, ogni particella possiede una "dimensione quantistica". Tradizionalmente, i matematici scartano gli elementi con una dimensione quantistica zero, considerandoli fisicamente irrilevanti. Il team di Lauda, tuttavia, ha sfidato questa convenzione, trasformando questi scarti matematici in risorse preziose, dando origine ai "neglectons".
La scoperta fondamentale è che l'introduzione di un singolo neglecton in un sistema di anyoni di Ising espande drasticamente le loro capacità computazionali. Questa aggiunta consente agli anyoni di eseguire qualsiasi calcolo quantistico attraverso un semplice intreccio, raggiungendo l'universalità e preservando la stabilità intrinseca e la resistenza al rumore degli anyoni. Questo progresso offre un obiettivo chiaro per gli sperimentatori: realizzare questi neglectons stazionari in sistemi fisici, sbloccando così il pieno potenziale del quantum computing basato su Ising.
Sebbene questa scoperta non segnali l'avvento immediato di computer quantistici su ogni scrivania, fornisce una prospettiva rivoluzionaria. Invece di cercare particelle completamente nuove o materiali esotici, i ricercatori possono ora concentrarsi sullo sfruttamento di sistemi familiari attraverso una nuova lente matematica. Il lavoro di Lauda e del suo team, pubblicato su Nature Communications, esemplifica come l'esplorazione matematica astratta possa produrre soluzioni pratiche profonde, aprendo potenzialmente la strada a una rivoluzione del quantum computing stabile e universale.