Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

Costruire un computer capace di risolvere problemi oltre la portata delle macchine odierne richiede un cambiamento fondamentale nel modo in cui conserviamo le informazioni. Nel mondo quantistico, l'unità base dei dati è fragile; viene facilmente disturbata dal minimo sussurro di calore o rumore elettromagnetico, causando il collasso del calcolo. Per costruire una macchina affidabile, gli scienziati devono trovare un modo per proteggere queste informazioni senza utilizzare vasti eserciti di componenti extra per controllarle e correggerle costantemente. Un approccio promettente consiste nel codificare i dati non in una singola particella, ma nel comportamento collettivo di particelle di luce, o fotoni, intrappolati all'interno di un minuscolo circuito elettrico. Questi "cat qubit" prendono il nome da un famoso esperimento mentale che coinvolge un gatto che è simultaneamente vivo e morto; in questo contesto, il qubit esiste in due stati distinti contemporaneamente. Il genio di questo design è che resiste naturalmente a un tipo di errore, noto come bit-flip, in cui lo stato si ribalta accidentalmente da uno all'altro. Tuttavia, rimane vulnerabile a un altro tipo di errore, il phase-flip, che scompagina la relazione tra i due stati. La sfida è sempre stata quella di rendere la protezione contro il primo errore più forte senza peggiorare il secondo errore, un equilibrio che è stato difficile da raggiungere.

Un team di ricercatori di Alice & Bob, lavorando con partner di diverse istituzioni francesi, ha trovato un modo per far pendere questo equilibrio significativamente a proprio favore. Hanno preso il design standard di questi qubit basati sulla luce e hanno applicato una specifica deformazione alla forma degli stati di luce utilizzati. Immaginate i due stati di un qubit standard come due distinte nuvole tonde di probabilità che fluttuano in uno spazio matematico. Nel nuovo design, i ricercatori hanno strizzato queste nuvole, allungandole in forme che sembrano mezzelune. Questo semplice cambiamento geometrico, ottenuto aggiungendo un tipo specifico di segnale alla loro attrezzatura esistente, ha permesso ai due stati di trovarsi molto più distanti tra loro in un modo che li rende incredibilmente difficili da confondere l'uno con l'altro, mantenendoli ugualmente stabili contro l'altro tipo di errore.

I risultati di questo esperimento sono stati sorprendenti. I ricercatori hanno misurato quanto tempo impiegava il qubit a ribaltare accidentalmente il proprio stato. In una versione standard, non deformata di questo qubit, l'errore si verificava circa ogni 138 millisecondi. Nella nuova versione "moon cat" strizzata, il qubit ha mantenuto il proprio stato per 22 secondi prima che si verificasse un errore simile. Ciò rappresenta un miglioramento della stabilità di 160 volte. Fondamentalmente, questo enorme guadagno non è avvenuto a costo di un aumento della vulnerabilità all'altro tipo di errore; il tasso con cui il qubit scompaginava la sua fase è rimasto essenzialmente lo stesso, durando circa 1,3 microsecondi in entrambi i casi. Ciò significa che i ricercatori sono riusciti a rendere il qubit molto più robusto contro un tipo specifico di guasto senza indebolire la sua difesa contro l'altro.

Il team ha anche testato quanto bene questi nuovi qubit si comportassero quando venivano chiamati a svolgere un lavoro, specificamente eseguendo una porta logica, che è un'operazione di base in cui il computer elabora le informazioni. Hanno scoperto che i qubit strizzati non solo mantenevano il proprio stato più a lungo mentre rimanevano inattivi, ma eseguivano queste operazioni con maggiore velocità e precisiono. Le operazioni di porta erano più veloci e la probabilità di errori durante il calcolo è diminuita significativamente. I ricercatori hanno osservato che la nuova forma degli stati di luce rendeva più difficile per il sistema "perdere" accidentalmente l'uscita dalla propria zona sicura durante questi movimenti rapidi, riducendo ulteriormente gli errori. Questo miglioramento è stato così pronunciato che la probabilità complessiva di un errore di bit-flip durante un'operazione di porta è stata ridotta di un fattore di 220 rispetto al design standard.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente significativa è che non ha richiesto la costruzione di una nuova macchina o il cambiamento della disposizione fisica del circuito. I ricercatori hanno utilizzato lo stesso chip superconduttore e gli stessi componenti di base degli esperimenti precedenti. Hanno semplicemente aggiunto un secondo segnale di controllo, una specifica frequenza di pompa, all'attrezzatura esistente per creare l'effetto di strizzamento (squeezing). Ciò suggerisce che la strada verso computer quantistici più potenti può non richiedere sempre l'invenzione di un hardware completamente nuovo, ma piuttosto il trovare modi migliori per dare forma alle informazioni già presenti nel sistema. Modulando attentamente la forma degli stati quantistici, il team ha dimostrato che è possibile spingere i limiti della protezione dagli errori ben oltre quanto precedentemente ritenuto raggiungibile con i design standard.

I ricercatori hanno osservato che il processo di strizzamento ha introdotto un aumento molto lieve del tasso dell'altro tipo di errore, ma questa perdita è stata trascurabile rispetto all'enorme guadagno in stabilità contro i bit-flip. Hanno anche osservato che il miglioramento della stabilità cresceva rapidamente all'aumentare del numero di fotoni nel sistema, seguendo un modello molto più ripido rispetto ai limiti teorici per i design standard non strizzati. Ciò suggerisce che, man mano che questi sistemi verranno scalati, i benefici di questa tecnica potrebbero diventare ancora più potenti. Il lavoro fornisce un metodo chiaro e pratico per migliorare le prestazioni dei processori quantistici, portando l'obiettivo del calcolo quantistico tollerante ai guasti, dove le macchine possono eseguire algoritmi complessi senza correzioni costanti, più vicino alla realtà.