Conditional-squeezing gate in superconducting circuits

Nella ricerca di un computer quantistico, gli scienziati affrontano una scelta fondamentale: come archiviare l'informazione. L'approccio più comune tratta i dati come una stringa di minuscoli interruttori, ciascuno bloccato in una delle due posizioni, rappresentando uno zero o un uno. Questo metodo funziona bene, ma richiede molti interruttori fisici per proteggere un singolo pezzo di informazione dagli errori. Un percorso alternativo guarda alla natura continua delle onde luminose e sonore, dove l'informazione è codificata nella forma e nella fase di un'onda che può esistere in un numero infinito di stati. Questo approccio continuo offre un modo per impacchettare più dati in un singolo sistema, ma è notoriamente difficile da controllare. La sfida consiste nel modellare queste onde con estrema precisione senza introdurre il rumore che distrugge l'informazione quantistica.

Ricercatori in Argentina hanno ora dimostrato un nuovo modo per modellare queste onde quantistiche con alta precisiono, offrendo un passo promettente verso una memoria quantistica più robusta. Si sono concentrati su un tipo specifico di onda chiamata stato "squeezed" (compresso), in cui l'incertezza dell'onda è compressa in una direzione ed espansa in un'altra, molto simile allo schiacciare un palloncino. L'obiettivo era creare un dispositivo che potesse comprimere questa onda in una direzione determinata dallo stato di un bit quantistico separato, o qubit. Questa azione condizionale è essenziale per costruire codici quantistici complessi che possano rilevare e correggere i propri errori. Tuttavia, le leggi fisiche che governano questi circuiti introducono increspature sottili e indesiderate che distorcono l'onda, minacciando di rovinare l'operazione. Il team ha sviluppato una tecnica astuta per cancellare queste increspature, permettendo loro di creare un gate di compressione quasi perfetto. Le loro simulazioni mostrano che questo metodo può codificare l'informazione quantistica con una fedeltà superiore al 99 percento, un livello di accuratezza richiesto per l'informatica quantistica pratica.

L'esperimento avviene in un circuito superconduttore, un minuscolo loop elettronico fatto di materiali che conducono elettricità senza resistenza quando raffreddati vicino allo zero assoluto. Al cuore di questa configurazione c'è un risonatore, una camera che intrappola onde elettromagnetiche, e un qubit, un microscopico interruttore che può trovarsi in uno stato zero o uno. I due sono collegati in modo che lo stato del qubit cambi la frequenza naturale del risonatore. Per comprimere l'onda all'interno del risonatore, i ricercatori applicano un campo magnetico che oscilla a un ritmo specifico. Utilizzando due diverse frequenze di oscillazione simultaneamente, possono guidare il risonatore in uno stato in cui l'onda è compressa. Fondamentalmente, poiché il qubit cambia la frequenza del risonatore, la compressione avviene in una direzione se il qubit è zero, e in una direzione perpendicolare se il qubit è uno. Ciò crea un gate condizionale, un elemento fondamentale per la logica quantistica.

Il problema è che la fisica del circuito non è perfettamente pulita. Mentre il campo magnetico guida il sistema, introduce termini lenti e fluttuanti che causano un'oscillazione dell'onda e l'accumulo di sfasamenti indesiderati. Queste distorsioni agiscono come un leggero disallineamento, facendo sì che l'onda compressa punti nella direzione sbagliata o acquisisca una fase casuale che rimescola l'informazione. Nei tentativi precedenti di costruire gate simili, questi errori erano difficili da correggere, limitando l'accuratezza dell'operazione. I ricercatori hanno capito che il modo specifico in cui guidavano il sistema con due frequenze creava una simmetria nascosta. Scoprirono che, se avessero invertito il flusso del tempo e scambiato i ruoli delle due frequenze di guida, le distorsioni indesiderate si sarebbero cancellate a vicenda.

Per sfruttare questa simmetria, il team ha progettato un protocollo in quattro fasi. Per prima cosa, hanno lasciato che il sistema evolvesse per un breve periodo, permettendo alla compressione di iniziare e alle distorsioni di iniziare a accumularsi. Poi, hanno applicato un impulso rapido per invertire il qubit da zero a uno o viceversa, scambiando simultaneamente le fasi delle due frequenze di guida. Questa azione inverte efficacementamente la direzione del tempo per le distorsioni. Hanno lasciato che il sistema evolvesse per un tempo uguale in questo stato invertito, permettendo agli errori di annullarsi da soli. Infine, hanno riportato il qubit al suo stato originale. Il risultato è un processo in cui l'effetto di compressione desiderato si somma, ma gli errori indesiderati si cancellano completamente.

Il team ha testato questo metodo utilizzando simulazioni computerizzate dettagliate che modellavano il comportamento del circuito con alta precisione. Hanno simulato la codifica di uno stato arbitrario di un qubit in un complesso schema di onde compresse, un processo noto come algoritmo di codifica. Senza la tecnica di correzione, gli errori derivanti dai termini fluttuanti causavano una diminuzione significativa della fedeltà dell'informazione codificata, con deviazioni che raggiungevano lo 0,3 percento. Questo potrebbe sembrare piccolo, ma nel mondo dell'informatica quantistica, tali errori si accumulano rapidamente e distruggono il calcolo. Quando hanno applicato la tecnica di rifocalizzazione, la deviazione è scesa quasi a zero, con errori misurati solo di poche parti su dieci milioni. Le simulazioni hanno mostrato che il gate poteva raggiungere una fedeltà media superiore al 99 percento per qualsiasi stato di input, a condizione che i componenti fisici fossero di alta qualità.

I ricercatori hanno anche considerato le imperfezioni del mondo reale che esisterebbero in un dispositivo fisico, come la perdita di energia dal circuito e il comportamento non lineare dei materiali superconduttori. Anche includendo questi fattori, e assumendo valori ottimistici ma realistici per quanto tempo gli stati quantistici possono sopravvivere prima di decadere, il gate manteneva una fedeltà superiore al 99 percento. Il team ha ulteriormente esteso il proprio lavoro per dimostrare che questo metodo potrebbe essere applicato a due risonatori contemporaneamente, creando stati intrecciati (entangled) ancora più potenti per l'elaborazione dell'informazione quantistica. In questo scenario a due modi, il gate ha raggiunto fedeltà ancora più elevate in un tempo più breve, grazie alle forti correlazioni tra le due onde.

Questo lavoro fornisce una via chiara verso la costruzione di gate quantistici ad alta fedeltà che possano manipolare variabili continue con la precisione necessaria per la correzione degli errori. Usando un semplice trucco temporale per cancellare il rumore inevitabile del mondo fisico, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare un gate che sia quasi indistinguibile dalla versione teorica ideale. La capacità di codificare l'informazione in questi speciali stati compressi apre la porta a nuovi tipi di codici quantistici che possono rilevare gli errori semplicemente controllando la parità dell'onda. Sebbene i risultati presentati qui siano basati su simulazioni, essi offrono un progetto concreto da seguire per gli sperimentali, suggerendo che la prossima generazione di computer quantistici potrebbe affidarsi a questi sistemi basati su onde e variabili continue per archiviare e processare informazioni con una affidabilità senza precedenti.