Continuous-angle logical rotations in the Steane code

I computer quantistici promettono di risolvere problemi impossibili per le macchine odierne, ma sono notoriamente fragili. L'informazione che contengono, memorizzata in bit quantistici, può essere facilmente rimescolata dalla minima perturbazione dell'ambiente. Per costruire una macchina utile, gli scienziati devono proteggere questa informazione utilizzando la correzione degli errori quantistici, un metodo che distribuisce un singolo pezzo di dati su molte particelle fisiche. Se una particella fallisce, le altre possono rivelare cosa è accaduto e ripararlo senza distruggere i dati. Tuttavia, eseguire calcoli su questi dati protetti è difficile. Una famosa regola matematica, nota come teorema di Eastin-Knill, afferma che non è possibile eseguire ogni possibile tipo di calcolo su questi dati protetti utilizzando solo i metodi più semplici e robusti. Di solito, per aggirare questo problema, gli screnti devono utilizzare un processo complesso e dispendioso in termini di risorse che coinvolge speciali stati "magici" per eseguire i calcoli mancanti.

I ricercatori hanno cercato un modo più semplice per eseguire questi calcoli difficili, in particolare per le piccole e precise regolazioni necessarie nelle simulazioni quantistiche. Un nuovo esperimento guidato da Eric Huang e colleghi del Joint Center for Quantum Information and Computer Science, insieme a partner di IonQ e altre istituzioni, ha dimostrato una strada promettente da seguire. Utilizzando un tipo specifico di processore quantistico costruito con ioni intrappolati, il team ha dimostrato di poter eseguire una gamma continua di rotazioni logiche su dati protetti. Ci sono riusciti non usando i complessi stati magici, ma applicando una torsione semplice e uniforme a tutte le particelle fisiche contemporaneamente e poi controllando gli errori. Il risultato è un modo per sintonizzare precisamente l'angolo di calcolo, semplicemente regolando l'intensità della torsione iniziale e osservando i segnali di errore che ne seguono.

L'esperimento si è svolto sull'IonQ Forte, una macchina che utilizza singoli ioni sospesi in un vuoto come suoi bit quantistici. I ricercatori hanno codificato un singolo bit logico di informazione in un gruppo di sette ioni fisici utilizzando un metodo chiamato codice Steane. Questo codice è progettato per rilevare e correggere gli errori che potrebbero colpire un singolo ione. Il team è partito da uno stato logico e ha applicato una rotazione a ciascuno dei sette oni fisici simultaneamente. Questa rotazione era una variabile continua, il che significa che potevano scegliere qualsiasi angolo volessero, invece di essere limitati a pochi passaggi fissi. Dopo questa torsione, hanno eseguito un'estrazione del sindrome, un processo che misura lo stato collettivo del gruppo per vedere se si sono verificati errori, senza rivelare i dati reali che vengono memorizzati.

L'esito di questo controllo dell'errore, chiamato sindrome, ha determinato il risultato finale del calcolo. Se la misurazione mostrava nessun errore, il bit logico era ruotato di una quantità specifica. Se la misurazione mostrava un errore, il bit logico era ruotato di una quantità diversa. Fondamentalmente, i ricercatori hanno scoperto che l'angolo di rotazione finale non era casuale; era interamente prevedibile in base alla torsione fisica iniziale e al segnale di errore specifico osservato. Sapendo quale segnale di errore era apparso, potevano calcolare esattamente di quanto il bit logico avesse ruotato. Ciò ha permesso loro di eseguire una rotazione logica con un angolo continuo, una capacità che è solitamente proibita per le operazioni corrette dagli errori più semplici.

Per verificare questo, il team ha utilizzato una tecnica chiamata interferometria di Ramsey, che è un modo standard per misurare quanto uno stato quantistico sia ruotato. Hanno preparato il bit logico in una specifica posizione iniziale, applicato la torsione fisica e il controllo dell'errore, e poi misurato la posizione finale. Hanno ripetuto questo processo molte volte con diverse angoli di torsione e hanno osservato che il bit logico si muoveva esattamente come previsto dalla teoria. La rotazione era coerente, il che significa che l'informazione quantistica rimaneva intatta e la fase della funzione d'onda si spostava in modo fluido. Hanno anche eseguito un'analisi più dettagliata chiamata tomografia di processo, che mappa l'intero comportamento dell'operazione logica. Ciò ha confermato che l'operazione agiva come una rotazione pulita, con solo una piccola quantità di rumore aggiunta dall'hardware imperfetto.

I ricercatori hanno poi portato l'esperimento un passo avanti eseguendo due round di questo processo in sequenza. Nel primo round, hanno applicato una torsione positiva e, nel secondo, una torsione negativa della stessa dimensione. In un mondo ideale, queste due torsioni si cancellerebbero a vicenda, lasciando il bit logico esattamente dove era iniziato. L'esperimento ha mostrato che questa cancellazione funzionava sorprendentemente bene quando i segnali di errore in entrambi i round indicavano l'assenza di errori. Il bit logico è tornato alla sua posizione iniziale con pochissimo rumore. Tuttavia, se veniva rilevato un errore in uno dei due round, la cancellazione era imperfetta e il bit finiva in un posto leggermente diverso con più rumore. Ciò ha confermato che le rotazioni logiche da ogni round si sommavano in un modo prevedibile, e che il sistema poteva distinguere tra operazioni pulite e quelle affette da guasti.

Lo studio fornisce una prova di principio che le porte logiche ad angolo continuo possono essere create utilizzando solo semplici rotazioni fisiche e la correzione degli errori standard. Sebbene l'esperimento fosse limitato dalle dimensioni ridotte del codice e dai vincoli dell'attuale hardware, ha dimostrato che l'idea centrale funziona. Il canale logico ricostruito dai dati corrispondeva a un modello in cui l'angolo di rotazione dipende dalla sindrome, e il rumore era coerente con un semplice dephasing. Il team ha notato che la loro implementazione differiva la correzione finale a un computer dopo l'esperimento, piuttosto che applicarla in tempo reale, il che è un limite per i futi sistemi scalabili. Ciononostante, i risultati mostrano che combinando le rotazioni trasversali con la correzione degli errori, è possibile accedere a una gamma continua di operazioni logiche senza l'ingente sovraccarico della distillazione degli stati magici.

Questo lavoro suggerisce una nuova strategia per costruire computer quantistici. Invece di fare affidamento esclusivamente su metodi complessi e dispendiosi in termini di risorse per eseguire calcoli non standard, gli ingegneri potrebbero essere in grado di utilizzare controlli semplici e uniformi sui qubit fisici e lasciare che il processo di correzione degli errori faccia il lavoro pesante. La capacità di sintonizzare l'angolo di rotazione logica in modo continuo è particolarmente preziosa per le simulazioni quantistiche, dove sono spesso richieste regolazioni precise e piccole. Sebbene l'attuale esperimento abbia utilizzato un codice piccolo e una specifica piattaforma hardware, il principio sottostante potrebbe essere applicato a codici più grandi e robusti in futuro. Il successo del protocollo a due round, in cui gli angoli logici si sommavano e si cancellavano come previsto, indica che questo metodo potrebbe essere esteso per costruire sequenze di operazioni più complesse.

I ricercatori hanno sottolineato che le loro scoperte sono una dimostrazione del concetto piuttosto che una soluzione completamente fault-tolerant pronta per un uso su larga scala immediato. L'hardware che hanno utilizzato aveva limiti nel numero di qubit disponibili, il che ha impedito loro di eseguire una versione completamente adattiva del protocollo in cui il sistema regola le proprie azioni in tempo reale in base ai risultati precedenti. Hanno anche notato che i rami di errore non banali, dove venivano rilevati guasti, mostravano più rumore e distorsione rispetto ai rami puliti, il che è previsto dato il piccolo formato del codice. Nonostante queste limitazioni, l'esperimento ha dimostrato con successo che l'operazione logica è conoscibile e controllabile. Il team ha concluso che con un hardware migliore e codici più grandi, questo approccio potrebbe diventare una via percorribile per un controllo logico continuo ed efficiente nella computazione quantistica.