Universal syndrome-based recovery for noise-adapted quantum error correction

I computer quantistici promettono di risolvere problemi che sono attualmente impossibili per le macchine classiche, dalla progettazione di nuovi medicinali alla modellazione di complesse reazioni chimiche. Tuttavia, queste macchine sono incredibilmente fragili. Gli delicati stati quantistici su cui si basano sono facilmente disturbati dal minimo rumore proveniente dal loro ambiente, causando errori che possono rovinare un calcolo in una frazione di secondo. Per costruire un computer quantistico utile, gli scienziati devono sviluppare un modo per proteggere l'informazione da questo rumore senza distruggere il processo stesso dello stato quantistico. Questo è il compito della correzione degli errori quantistici.

Negli approcci tradizionali, gli scienziati utilizzano un metodo simile al controllo di uno scontrino rispetto a un elenco di articoli attesi. Misurano proprietà specifiche dei componenti del computer, chiamate sindromi, per vedere se si è verificato un errore. Se le misurazioni corrispondono a un modello noto, il computer sa esattamente cosa è andato storto e può correggerlo. Questo funziona bene quando il rumore è casuale e imprevedibile, ma fatica quando il rumore segue un modello specifico e prevedibile, come la tendenza di un bit quantistico a perdere energia e stabilizzarsi in uno stato inferiore. Per questi tipi specifici di rumore, gli scienziati hanno sviluppato codici specializzati che sono più efficienti, ma affrontano un nuovo problema: i segnali che indicano un errore spesso si confondono tra loro, rendendo impossibile capire esattamente quale errore sia avvenuto utilizzando strumenti di misurazione standard.

Un team di ricercatori ha ora sviluppato un nuovo metodo per chiarire questa confusione, consentendo a questi codici specializzati di funzionare efficacemente su hardware reale. Il loro lavoro affronta un collo di bottiglia fondamentale nel campo: come identificare gli errori quando le "firme" di tali errori si sovrappongono. Creando un processo matematico che separi questi segnali sovrapposti, il team ha permesso l'uso di una potente tecnica di recupero che era precedentemente troppo difficile da implementare. Hanno testato il loro approccio su veri processori quantistici, dimostrando che poteva estendere significativamente la durata della informazione quantistica, un passo critico verso la costruzione di macchine in grado di eseguire programmi complessi senza fallire.

La sfida centrale affrontata dai ricercatori deriva dalla natura del rumore nei moderni dispositivi quantistici. Mentre parte del rumore è casuale, l'errore dominante in molti computer quantistici superconduttori è un tipo specifico chiamato smorzamento di ampiezza (amplitude damping). Questo è come una palla che rotola giù da una collina; il bit quantistico tende naturalmente a perdere energia e a cadere da uno stato ad alta energia a uno a bassa energia. I codici di correzione degli errori standard sono progettati per gestire scossoni casuali, ma sono spesso inefficienti nel correggere questo specifico problema del "rotolare giù dalla collina". Per risolvere questo, gli scienziati hanno creato codici specializzati, come il codice Leung a quattro qubit, che sono adattati per catturare questo specifico tipo di errore. Tuttavia, questi codici hanno un difetto: quando si verifica un errore, lo stato risultante del computer non atterra in una posizione unica e distinta che possa essere facilmente identificata. Inveve, i possibili stati di errore si sovrappongono, rendendo impossibile distinguere un errore dall'altro utilizzando le tecniche di misurazione standard.

Per risolvere questo, i ricercatori hanno ideato una procedura algoritmica per separare questi stati sovrapposti. Immaginate di cercare di smistare un mucchio di luci colorate mescolate dove alcuni colori sfumano l'uno nell'altro; il loro metodo agisce come un filtro che separa i colori in modo che non si sovrappongano più, rendendo ciascuno distinto e identificabile. Una volta separati questi stati di errore, hanno potuto applicare una tecnica di recupero sofisticata nota come mappa di Petz. Questa mappa è una ricetta matematica per invertire gli effetti del rumore, ma è notoriamente difficile da eseguire su hardware reale perché richiede solitamente circuiti estremamente complessi che sono troppo grandi per essere costruiti. Il processo di separazione dei ricercatori ha semplificato così tanto il problema da permettere loro di progettare un circuito molto più piccolo ed efficiente per eseguire il recupero. Questo nuovo circuito, che chiamano recupero di Petz basato sulla sindrome, consente al computer di identificare l'errore e invertirlo senza richiedere le enormi risorse computazionali che prima rendevano il metodo impraticabile.

Il team ha messo alla prova la loro teoria eseguendo i nuovi circuiti di recupero su veri processori quantistici di IBM, specificamente i chip Heron ed Eagle. Si sono concentrati sul codice Leung a quattro qubit, progettato per proteggere contro il rumore di smorzamento di ampiezza comune in queste macchine. Nella loro esperienza, hanno preparato uno stato quantistico e lo hanno lasciato riposare per un periodo di tempo, permettendo al rumore naturale di degradarlo. Hanno poi applicato il loro nuovo processo di recupero e misurato quanta informazione originale fosse rimasta. I risultati sono stati sorprendenti. Sul processore IBM Brisbane, il processo di correzione dell'errore ha raddoppiato il tempo di sopravvivenza dell'informazione quantistica prima del decadimento. Sul processore IBM Torino, il miglioramento è stato ancora più drammatico, estendendo il tempo di sopravvivenza di un fattore cinque. Questi risultati sono significativi perché dimostrano una prestazione di "break-even", ovvero il qubit corretto dall'errore è durato più a lungo di un qubit standard non protetto, un traguardo che era stato raggiunto in precedenza solo con tipi diversi di codici su hardware differenti.

Il successo di questo esperimento si basa su un adattamento intelligente del processo di recupero ai vincoli dell'hardware specifico. I ricercatori hanno scoperto che concentrandosi sul recupero di un tipo specifico di stato quantistico piuttosto che cercare di correggere ogni possibile stato contemporaneamente, potevano ridurre drasticamente il numero di operazioni complesse richieste. Questa riduzione era essenziale perché le connessioni fisiche tra i qubit sul chip sono limitate, e aggiungere troppe operazioni introdurrebbe nuovi errori che annullerebbero i benefici della correzione. Ottimizzando il circuito per la specifica configurazione dei processori IBM, si sono assicurati che il processo di recupero fosse abbastanza veloce ed efficiente da funzionare effettivamente nella pratica.

Questo lavoro rappresenta un grande passo avanti nell'applicazione pratica della correzione degli errori quantistici. Dimostra che i codici specializzati e adattati al rumore possono essere fatti funzionare su hardware reale, a patto che venga risolta la difficoltà di identificare gli errori sovrapposti. Il metodo dei ricercatori di separare questi stati di errore fornisce uno strumento universale che potrebbe essere applicato ad altri codici e tipi di rumore in futuro. Sebbene l'attuale esperimento si sia concentrato su un codice specifico a quattro qubit e su un tipo specifico di rumore, il principio sottostante di rendere distinti i segnali sovrapposti apre la porta a un calcolo quantistico più robusto ed efficiente. La capacità di estendere la vita dell'informazione quantistica di fattori pari a due o cinque su hardware esistente suggerisce che la strada verso computer quantistici su larga scala e tolleranti ai guasti sta diventando più chiara, un bit corretto alla volta.