Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

I computer quantistici promettono di risolvere problemi impossibili per le macchine odierne, dalla progettazione di nuovi medicinali alla modellazione di materiali complessi. Tuttavia, queste macchine sono incredibilmente fragili; il minimo disturbo causato dal calore o dalle onde elettromagnetiche può sconvolgere l'informazione che contengono. Per costruire un computer quantistico utile, gli scienziati devono proteggere questi dati delicati utilizzando un metodo chiamato correzione degli errori quantistici. Questo approccio funziona come una rete di sicurezza, distribuendo un singolo pezzo di informazione su molte particelle fisiche in modo che, se una fallisce, le altre possano rivelare cosa è successo e ripararlo. Il progetto più popolare per questa rete di sicurezza si chiama codice di superficie, che dispone queste particelle in una griglia piatta. Sebbene i ricercatori abbiano padroneggiato il modo per leggere gli errori da questa griglia e correggerli, rimane un problema ostinato: come creare inizialmente gli stati di informazione "logici" protetti senza introdurre nuovi errori durante il processo di creazione stesso.

Per anni, il modo standard per preparare questi stati iniziali prevedeva un processo in due fasi. Prima, gli scienziati impostavano tutte le particelle fisiche su uno stato semplice e noto. Successivamente, eseguivano una serie di misurazioni per controllare la stabilità della griglia, usando i risultati per regolare il sistema. Questo metodo funziona, ma ha un difetto nascosto. L'atto di misurare è lento e incline ai propri errori, e il processo di controllo della griglia può talvolta diffondere gli errori in un modo che il codice non riesce a rilevare. Inoltre, in alcune macchine quantistiche avanzate, come quelle che utilizzano ioni intrappolati o atomi neutri, l'atto di misurare è molto più lento e rumoroso rispetto alla semplice applicazione di un gate (un interruttore quantistico), rendendo il metodo standard un collo di bottiglia. I ricercatori hanno a lungo cercato un modo per preparare questi stati utilizzando solo operazioni locali e veloci, ma i tentativi precedenti di farlo non sono riusciti a mantenere l'alto livello di protezione che il codice dovrebbe offrire.

In uno studio recente, un team di ricercatori ha sviluppato un metodo per preparare questi stati protetti utilizzando solo operazioni locali e veloci, senza fare affidamento sulle misurazioni durante la fase di creazione. Hanno scoperto una specifica sequenza di operazioni che costruisce lo stato complesso ed entanglement richiesto per il codice di superficie partendo dal basso. La chiave del loro successo risiede nel modo in cui gestiscono le connessioni tra le particelle. Invece di cercare di connettere ogni particella a tutte le altre contemporaneamente, il che è fisicamente impossibile in molti dispositivi, utilizzano un approccio passo dopo passo che rispetta la disposizione fisica della griglia. Partono da uno stato semplice e ampliano gradualmente le connessioni, ordinando attentamente i passaggi in modo che qualsiasi piccolo errore che si verifica durante il processo rimanga contenuto e non si diffonda in modo incontrollabile. Ciò assicura che lo stato finale sia ben protetto quanto se fosse stato creato con il metodo più lento basato sulla misurazione.

I ricercatori hanno testato la loro idea utilizzando simulazioni al computer che modellavano il comportamento dei gate quantistici in condizioni di rumore realistiche. Hanno confrontato il loro nuovo metodo con l'approccio standard basato sulla misurazione per codici di superficie di varie dimensioni. I risultati hanno mostrato che, per certi tipi di hardware quantistico, in particolare per quelli in cui le misurazioni sono lente e rumorose, il loro nuovo metodo è significativamente migliore. In alcuni casi, il nuovo approccio ha ridotto il tasso di errori logici di un fattore dieci rispetto al metodo standard. Questo miglioramento deriva da due fattori principali: il nuovo metodo utilizza meno operazioni complessive, il che significa che ci sono meno possibilità che le cose vadano male, ed evita gli errori che tipicamente si insinuano quando i dati vengono trasferiti verso e dai dispositivi di misurazione.

Il team ha anche esplorato due variazioni del loro metodo. Una versione utilizza particelle ausiliarie extra, chiamate ancilla, per creare ponti tra le connessioni delle particelle di dati principali. L'altra versione, che ha ottenuto risultati ancora migliori nelle loro simulazioni, collega le particelle di dati direttamente tra loro senza questi aiuti. Questa connessione diretta è possibile in macchine in cui le particelle possono essere spostate o le loro connessioni possono essere riconfigurate al volo, come nei sistemi di atomi neutri o ioni intrappolati. Eliminando la necessità delle particelle ausiliarie, i ricercatori hanno eliminato un'intera classe di potenziali errori, portando a stati iniziali più puliti e affidabili.

Questo lavoro è particolarmente importante per il futuro dell'informatica quantistica perché offre una via pratica per le piattaforme hardware che faticano con le misurazioni. Sebbene il nuovo metodo richieda leggermente più tempo per l'esecuzione rispetto all'approccio basato sulla misurazione in termini di numero di passaggi, è probabilmente più veloce in tempo reale per molte macchine perché i passaggi che utilizza sono molto più rapidi da eseguire rispetto alle misurazioni lente e rumorose. Ancora più importante, risolve un problema critico di sicurezza: garantisce che la protezione offerta dal codice di correzione degli errori sia preservata fin dal momento in cui lo stato viene creato. Ciò significa che quando il computer inizia i suoi calcoli, parte con uno stato che è già robusto contro gli errori, invece di uno che è vulnerabile fino a quando non viene eseguito un giro di correzioni.

I ricercatori riconoscono che il loro metodo non è una soluzione universale per ogni possibile architettura quantistica. Ad esempio, si basa sulla capacità di eseguire operazioni tra particelle vicine e non risolve ancora il problema di proteggere simultaneamente contro tutti i tipi di errori durante la fase di creazione. Tuttavia, dimostrando che un approccio puramente operativo e privo di misurazioni può raggiungere lo stesso livello di sicurezza del metodo tradizionale, hanno aperto una nuova porta. Il loro lavoro suggerisce che per la prossima generazione di processori quantistici, specialmente quelli costruiti con atomi o ioni, il modo più affidabile per iniziare un calcolo potrebbe essere saltare del tutto le misurazioni e semplicemente costruire lo stato con gate veloci e precisi. Questo spostamento potrebbe ridurre significamente il tempo che i computer quantistici trascorrono in attesa delle misurazioni e abbassare i tassi di errore complessivi, portando il sogno dell'informatica quantistica tollerante ai guasti un passo più vicino alla realtà.