Loss-tolerant distributed lattice surgery using fusion networks

Costruire un computer quantistico in grado di risolvere problemi del mondo reale richiede più di qualche migliaio di minuscole particelle che fungono da vettori di informazione; ne richiede milioni. Il numero enorme di componenti fisici necessari per proteggere un singolo pezzo di informazione dal costante rumore dell'universo significa che nessuna singola macchina sarà mai abbastanza grande da contenerli tutti. Invece, gli scienziati guardano verso un futuro in cui molti processori quantistici più piccoli siano collegati tra loro, formando una rete distribuita. La sfida risiede nel collegamento stesso. Mentre i processori all'interno delle macchine sono fatti di materia solida, i collegamenti tra di essi si affidano alla luce. Ciò crea un disallineamento fondamentale: le parti solide soffrono di errori lenti e costanti, mentre i collegamenti basati sulla luce sono soggetti a guasti improvvisi e catastrofici in cui i fotoni semplicemente svaniscono.

In questo nuovo studio, i ricercatori dell'Imperial College London hanno sviluppato un modo per colmare questo divario. Propongono un metodo ibrido che tratta la perdita di luce non come un disastro da evitare, ma come un evento noto che può essere gestito. Combinando le operazioni standard basate su circuiti utilizzate all'interno dei processori con un approccio basato sulla misurazione progettato per la luce, hanno creato un protocollo per fondere due memorie quantistiche separate. Il loro lavoro suggerisce che disponendo il collegamento in un modello specifico ed allungato, possono raddoppiare la distanza su cui l'informazione è protetta durante la fusione, rendendo l'intero sistema significativamente più robusto contro l'inevitabile perdita di fotoni.

Il cuore del problema è come eseguire un'operazione congiunta, come la fusione di due memorie quantistiche, attraverso una rete in cui il collegamento non è affidabile. In una configurazione standard, due processori quantistici potrebbero essere collegati da una linea diretta di comunicazione. Se un fotone viene perso in quella linea, l'informazione viene corrotta. I metodi tradizionali cercano di correggere questi errori dopo che si sono verificati, ma quando il tasso di perdita è elevato, il sistema viene sopraffatto. I ricercatori si sono rivolti a una strategia diversa utilizzata nell'informatica fotonica, dove la perdita di una particella è trattata come un evento "heralded" (annunciato). Ciò significa che il sistema sa esattamente quando un fotone manca, permettendo al software di correzione degli errori di regolare la propria strategia in tempo reale invece di indovinare cosa sia andato storto.

Per testare questo, il team ha utilizzato un linguaggio matematico chiamato calcolo ZX, che permette di visualizzare e manipolare i circuiti quantistici come diagrammi. Hanno iniziato con una procedura standard per fondere due memorie quantistiche, nota come chirurgia del reticolo (lattice surgery), e hanno trasformato il diagramma per vedere come potesse essere costruito utilizzando un mix di componenti allo stato solido e collegamenti basati sulla luce. Hanno scoperto che dividendo il collegamento in una serie di catene di risorse più piccole e lineari, potevano creare un'interfaccia "ibrida". In questa configurazione, i processori solidi gestiscono le operazioni locali, mentre i collegamenti basati sulla luce gestiscono la connessione tra di essi. Fondamentalmente, hanno scoperto che questo arrangiamento ibrido poteva essere progettato per essere molto più largo di una semplice linea retta.

I ricercatori hanno simulato questa nuova architettura sotto varie condizioni per vedere quanto fosse resistente. Hanno scoperto che quando i processori locali erano quasi perfetti, il nuovo metodo ibrido poteva tollerare un tasso di perdita di fotoni fino al 50 percento. Questo è un limite teorico per questo tipo di correzione degli errori, il che significa che il sistema può sopravvivere anche se metà dei fotoni di connessione scompare. Più importante ancora, hanno misurato la "distanza" della protezione. Nella correzione degli errori quantistici, la distanza si riferisce a quanti errori devono verificarsi simultaneamente per rompere il sistema. Le loro simulazioni hanno mostrato che il design ibrido a catena lineare raddoppia la distanza di protezione per la parte più critica dell'operazione rispetto a una connessione standard a linea retta. Mentre una connessione standard offriva una distanza di protezione di circa metà della dimensione del codice, il nuovo metodo l'ha estesa a quasi l'intera dimensione, e oltre.

Tuttavia, il vantaggio di questo nuovo design dipende fortemente dalla qualità dei processori locali. Il team ha eseguito simulazioni con diversi livelli di rumore per vedere dove il nuovo metodo eccelle. Quando i processori locali avevano un tasso di errore moderato, i benefici della maggiore distanza di protezione erano in gran parte nascosti dal rumore locale. In queste condizioni, il sistema si comportava in modo simile ai metodi più vecchi. Ma man mano che i ricercatori abbassavano il tasso di errore locale a un livello molto basso, il vantaggio del design ibrido diventava evidente. Il tasso di errore per il nuovo metodo scendeva molto più velocemente rispetto ai metodi standard man mano che la qualità della connessione migliorava. Ciò suggerisce che la nuova architettura è progettata specificamente per un futuro in cui i processori locali sono altamente affidabili, ma i collegamenti di rete rimangono rumorosi.

Lo studio ha anche esplorato cosa succede quando gli stati di risorsa utilizzati per la connessione sono più piccoli o "troncati". In uno scenario reale, generare enormi catene di particelle entangled potrebbe essere troppo difficile, quindi i ricercatori hanno testato catene più corte. Hanno scoperto che, sebbene l'accorciamento delle catene abbassasse il tasso massimo tollerabile di perdita, non riduceva la distanza di protezione. Ciò significa che anche con risorse più piccole e gestibili, il sistema mantiene il suo vantaggio strutturale di una zona di protezione più ampia, a patto che il tasso di perdita rimanga al di sotto di una certa soglia. Ad esempio, con catene contenenti otto particelle, il sistema poteva ancora tollerare un tasso di perdita di circa il 38 percento, e con catene di cinque particelle, circa il 32 percento.

Per rendere questi risultati rilevanti per l'hardware reale, il team ha convertito i loro tassi di perdita teorici in soglie di perdita di fotoni fisiche. Hanno tenuto conto del fatto che, nei sistemi ottici reali, una misurazione di fusione fallita può talvolta essere potenziata aggiungendo fotoni extra per aumentare le probabilità di successo. I loro calcoli hanno mostrato che, con il giusto livello di potenziamento, i nuovi protocolli ibridi potevano tollerare tassi di perdita di fotoni fisici di quasi il 18 percento per gli scenari migliori, e intorno al 9 percento per le versioni troncate. Questo è un miglioramento significativo rispetto alle stime precedenti per l'informatica quantistica distribuita, che spesso faticavano con una tolleranza per la perdita molto più bassa.

I ricercatori hanno anche esaminato come il sistema protegge diversi tipi di informazione. L'informazione quantistica ha due aspetti principali, spesso chiamati osservabile di fusione (merge observable) e osservabile perpendicolare (perpendicular observable). Il nuovo design ibrido ha migliorato significativamente la protezione per l'osservabile di fusione, raddoppiando efficacementamente il margine di sicurezza. Tuttavia, per l'osservabile perpendicolare, il modello di connessione "zig-zag" standard utilizzato nei vecchi design offriva ancora la migliore protezione. Ciò indica che, sebbene il nuovo metodo ibrido sia un grande passo avanti, non risolve ancora perfettamente ogni aspetto del problema. Il team suggerisce che il lavoro futuro potrebbe concentrarsi sull'adattamento dei modi di guasto dei collegamenti basati sulla luce per creare una protezione più equilibrata per entrambi i tipi di informazione.

In definitiva, questo lavoro fornisce un modello su come collegare i computer quantistici del futuro. Dimostra che mescolando i punti di forza dei processori a stato solido con la natura tollerante alla perdita delle reti fotoniche, è possibile costruire un sistema distribuito che è molto più resiliente della somma delle sue parti. I risultati suggeriscono che man mano che i processori quantistici locali diventeranno più affidabili, il collo di bottiglia si sposterà verso i collegamenti di rete, e i protocolli ibridi qui descritti offrono un modo per superare quel collo di bottiglia. Le simulazioni confermano che, con il giusto design, una rete quantistica può sopravvivere alla perdita di metà dei suoi fotoni di connessione, aprendo una via realistica verso la scalabilità dei computer quantistici alle dimensioni massicce richieste per applicazioni pratiche.