Constant sized support state distillation with qubit recycling

I computer quantistici promettono di risolvere problemi che sono attualmente impossibili per le macchine classiche, dalla progettazione di nuovi medicinali alla decrittazione di codici complessi. Tuttavia, queste macchine sono incredibilmente fragili. Gli delicati stati quantistici su cui si basano sono facilmente disturbati dal minimo rumore o interferenza dall'ambiente. Per costruire una macchina utile, gli scienziati devono utilizzare una tecnica chiamata correzione degli errori quantistici, che agisce come uno scudo, controllando costantemente gli errori e correggendoli prima che rovinino il calcolo. Eppure, c'è un problema. Sebbene la correzione degli errori possa proteggere i dati, non può eseguire facilmente ogni tipo di calcolo richiesto per un computer universale. Nello specifico, fatica con una certa classe di operazioni che sono essenziali per velocità e versatilità. Per aggirare questo problema, i ricercatori utilizzano un espediente che coinvolge speciali stati di supporto, spesso chiamati "stati magici", che vengono iniettati nel sistema per abilitare queste operazioni difficili.

Il problema è che questi stati di supporto sono difficili da produrre perfettamente. Di solito escono dalla fabbrica con un alto tasso di errori, troppo rumorosi per essere utili per un calcolo affidabile. Per risolvere questo, gli scienziati utilizzano un processo chiamato distillazione. Questo è simile alla raffinazione del petrolio greggio: si prendono molte copie rumorose e di bassa qualità dello stato e le si elaborano insieme per produrre un numero minore di copie di alta qualità e pulite. La sfida è sempre stata il fatto che questo processo di raffinazione richiede una quantità massiccia di hardware. Necessita di un gran numero di componenti fisici per contenere i dati mentre vengono elaborati, rendendo l'intera operazione ingombrante e costosa in termini di risorse richieste.

In un nuovo studio, un ricercatore dell'Università di Ginevra ha trovato un modo per ridurre drasticamente questo enorme requisito di hardware. Il lavoro introduce una nuova famiglia di metodi per distillare questi stati magici che può raggiungere livelli estremamente elevati di purezza utilizzando un numero fisso e piccolo di qubit, indipendentemente da quanto debba essere perfetto il risultato finale. Precedentemente, se uno scienziato voleva aumentare l'affidabilità dell'output, doveva costruire una macchina più grande con più qubit per gestire il lavoro extra. Questo nuovo approccio rompe quella regola. Utilizzando un trucco astuto chiamato riciclo dei qubit, il protocollo permette allo stesso piccolo gruppo di qubit di essere utilizzato più volte in una sequenza, invece di richiedere un nuovo gruppo più grande per ogni passaggio.

Il ricercatore ha sviluppato un metodo ricorsivo, essenzialmente un insieme di istruzioni che possono essere applicate ripetutamente per costruire protocolli di distillazione più potenti. Questo metodo parte da un blocco fondamentale semplice e utilizza una tecnica nota come raddoppio del codice per costruire versioni più complesse. L'innovazione chiave risiede in come vengono gestiti i qubit. Nei metodi tradizionali, molti qubit rimangono inattivi o vengono utilizzati una sola volta. In questo nuovo framework, il ricercatore ha dimostrato che certi qubit possono essere misurati, resettati e immediatamente riutilizzati per una parte diversa del calcolo. Ciò significa che, per un determinato livello di potenza computazionale, il numero di qubit necessari non cresce all'aumentare della qualità desiderata dell'output. Invece, il protocollo può raggiungere distanze arbitrariamente elevate — una misura di quanto sia efficace nel rilevare e correggere gli errori — utilizzando lo stesso numero costante di qubit logici.

Il documento dimostra che questo approccio recupera molti protocolli efficienti noti, ma scopre anche protocolli completamente nuovi che sono molto più compatti. Ad esempio, lo studio identifica un protocolità specifico per distillare uno stato utilizzato nelle architetture di calcolo quantistico più comuni che utilizza solo 111 stati di input per produrre un output di alta qualità. Sebbene questo possa sembrare un numero elevato di input, l'impronta fisica della macchina necessaria per eseguirlo è sorprendentemente piccola. Il ricercatore ha calcolato che questo protocollo specifico può essere eseguito su soli sei qubit. Si tratta di una riduzione significativa rispetto ad altri metodi noti che potrebbero richiedere oltre dieci qubit per raggiungere lo stesso livello di protezione dagli errori. Lo studio fornisce una tabella dettagliata che confronta questi nuovi protocolli con quelli esistenti, mostrando che i nuovi metodi offrono costantemente un "volume" di risorse molto più piccolo, che è il prodotto del numero di qubit e dei passaggi temporali richiesti.

Questa riduzione delle dimensioni non è solo un miglioramento minore; cambia la fattibilità della costruzione di queste macchine. In molti progetti di computer quantistici proposti, la capacità di connettere i qubit è limitata. Avere un protocollo che funziona con un numero piccolo e fisso di qubit rende molto più facile inserire la fabbrica di distillazione in queste architetture vincolate. Il ricercatore ha anche esplorato come questo metodo potesse essere esteso per produrre più di uno stato di alta qualità alla volta. Sebbene i guadagni di efficienza per output multipli non siano così drammatici come per i singoli output, il framework consente comunque risparmi significativi di risorse. Il lavoro suggerisce che, ordinando attentamente i passaggi del calcolo e riutilizzando i componenti, il costo fisico di produzione di questi essenziali stati magici può essere portato a un livello gestibile.

Le scoperte sono presentate come una costruzione matematica che è stata rigorosamente provata per funzionare. Il ricercatore non si è limitato a suggerire che questo potrebbe funzionare; ha fornito una prova formale che questi nuovi protocolli mantengono le proprietà necessarie per correggere efficacemente gli errori. Lo studio riconosce anche che, sebbene il numero di qubit sia costante, il tempo necessario per eseguire il protocollo aumenta all'aumentare della qualità desiderata. Tuttavia, nel contesto della costruzione di un computer quantistico, risparmiare sul numero di componenti fisici è spesso il collo di bottiglia più critico. Dimostrando che la distillazione ad alta fedeltà è possibile con un numero costante e piccolo di qubit, questa ricerca offre una via chiara verso sistemi di correzione degli errori quantistici più pratici e compatti. Il lavoro conclude notando che, sebbene altre tecniche come l'esecuzione di operazioni in parallelo possano ridurre ulteriormente i costi, la capacità di riciclare i qubit in questo modo specifico fornisce un miglioramento fondamentale che rende l'intero processo di costruzione di un computer quantistico tollerante ai guasti più realizzabile.