Measurement-free Preparation of Surface-Code States with Digital-Analog Counterdiabatic Drivings
Questo articolo introduce un metodo di guida controadiabatica digitale-analogica che sfrutta le proprietà strutturali del potenziale di gauge adiabatico per preparare efficientemente gli stati fondamentali del codice di superficie su architetture superconduttrici near-term, superando significativamente l'evoluzione adiabatica pura e riducendo la profondità di entanglement di un ordine di grandezza per l'inizializzazione priva di misurazioni.
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I computer quantistici promettono di risolvere problemi che richiederebbero alle macchine ordinarie migliaia di anni, ma sono notoriamente fragili. I bit di informazione che utilizzano, chiamati qubit, perdono il loro delicato stato quantistico nel momento in cui interagiscono troppo con il mondo esterno o commettono un errore. Per risolvere questo problema, gli scienziati utilizzano una strategia chiamata correzione degli errori quantistici, che distribuisce l'informazione su molti qubit in modo che, se uno fallisce, gli altri possano mantenere la verità. Ciò richiede di disporre i qubit in un modello specifico e di costringerli ad accordarsi tra loro secondo un insieme rigoroso di regole. Prima che il computer possa iniziare il suo lavoro, deve prima essere inizializzato in questo stato perfetto e rispettoso delle regole. Farlo in modo rapido e accurato senza fermarsi per misurare e correggere i qubit lungo il percorso è un ostacolo principale per la costruzione di macchine utili oggi.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo per preparare questi stati essenziali su processori quantistici superconduttori, il tipo di hardware attualmente utilizzato da molti laboratori. Invece di cercare di costruire lo stato complesso pezzo per pezzo utilizzando una lunga sequenza di istruzioni digitali, hanno utilizzato un metodo che fonde interazioni naturali e continue con brevi e precise regolazioni digitali. Il loro approccio, testato in dettagliate simulazioni al computer, è riuscito a preparare i modelli quantistici richiesti molto più velocemente e in modo più affidabile rispetto ai metodi precedenti, il tutto senza dover interrompere e misurare il sistema lungo la strada. Questo lavoro offre una via pratica per rendere pronti i computer quantistici per i loro compiti senza l'oneroso overhead del controllo costante.
La sfida affrontata dai ricercatori è nota come preparazione dello stato. In un computer quantistico progettato per correggere i propri errori, i qubit devono essere disposti in una griglia dove formano gruppi specifici, o "plaquette", che agiscono insieme. Affinché il computer funzioni, questi gruppi devono stabilizzarsi in uno stato in cui tutti concordino su una proprietà condivisa, una condizione che i fisici chiamano codice stabilizzatore. Il modo standard per arrivarci è guidare lentamente il sistema da un semplice punto di partenza verso lo stato complesso target, un processo noto come evoluzione adiabatica. Tuttavia, se questo processo è troppo lento, il computer perde la sua coerenza quantistica prima di aver terminato. Se è troppo veloce, il sistema si confonde e finisce nello stato sbagliato. Per velocizzare le cose senza perdere accuratezza, gli scienziati hanno provato ad aggiungere una spinta "controadiabatica", una forza extra che annulla la confusione causata dal movimento troppo rapido. Il problema è che questa forza extra richiede solitamente complesse interazioni multi-qubit che l'hardware attuale non può eseguire direttamente.
Gli autori di questo studio, lavorando con circuiti superconduttori, hanno trovato un modo per generare queste spinte complesse utilizzando le capacità native dell'hardware. I loro processori permettono naturalmente ai qubit di interagire con i loro vicini immediati in un modo specifico e continuo. I ricercatori si sono resi conto che applicando brevi rotazioni digitali fisse ai qubit prima e dopo queste interazioni naturali, potevano "vestire" le semplici interazioni per creare le complesse forze multi-qubit necessarie per la spinta controadiabatica. Non hanno cercato di costruire la forza complessa da zero; al contrario, hanno lasciato che la fisica naturale dell'hardware facesse il lavoro pesante, usando i passaggi digitali solo per guidare il risultato. Questo metodo ibrido digitale-analogico ha permesso loro di creare le necessarie correlazioni a quattro qubit utilizzando solo le connessioni a due qubit disponibili sui loro chip.
Per testare la loro idea, il team ha simulato il processo su griglie di qubit che vanno da piccole disposizioni 2-per-3 fino a quadrati 4-per-4, che rappresentano i mattoni fondamentali dei codici di correzione degli errori quantistici. Hanno confrontato il loro nuovo metodo digitale-analogico con altri due approcci: un metodo puramente digitale che cerca di costruire ogni passaggio da zero, e un metodo adiabatico standard che si muove lentamente senza la spinta extra. In queste simulazioni, il nuovo metodo si è dimostrato altamente efficace. Ha raggiunto lo stato target corretto con un alto grado di accuratezza in un tempo molto breve, performando quasi quanto il miglior metodo puramente digitale, ma utilizzando molte meno operazioni complesse. Fondamentalmente, ha superato di gran lunga il metodo lento standard, che non è riuscito a raggiungere lo stato corretto entro lo stesso breve intervallo di tempo.
I ricercatori hanno anche esaminato come il loro metodo regga quando l'hardware è imperfetto, il che è sempre il caso nella vita reale. Hanno introdotto un modello realistico di rumore, simulando i piccoli errori e le perdite di segnale che si verificano negli effettivi dispositivi superconduttori. In queste condizioni rumorose, il metodo puramente digitale ha faticato perché la sua lunga sequenza di istruzioni accumulava troppi errori. Anche il metodo lento standard è fallito nel raggiungere lo stato target. L'approccio digitale-analogico, tuttavia, è rimasto robusto. Affidandosi alle interazioni naturali dell'hardware piuttosto che a lunghe catene di porte digitali, ha evitato molti degli errori che hanno afflitto gli altri metodi. Sebbene un metodo che utilizza misurazioni per controllare e correggere gli errori abbia ottenuto l'accuratezza più elevata possibile, la nuova tecnica digitale-analogica si è avvicinata notevolmente a tale prestazione senza richiedere alcuna misurazione, operazione di reset o intervento dell'informatica classica durante il processo.
Questo lavoro dimostra che la geometria del codice di correzione dell'errore stessa può essere utilizzata per semplificare il controllo dell'hardware quantistico. Facendo corrispondere la struttura dello stato quantistico richiesto alle connessioni naturali del processore, i ricercatori sono stati in grado di sintetizzare le forze complesse necessarie in modo efficiente. Le loro simulazioni hanno mostrato che man mano che la griglia di qubit cresce, il metodo scala bene, richiedendo solo un aumento gestibile della complessità dei passaggi digitali. La scoperta chiave è che invertendo il flusso di lavoro abituale — identificando prima ciò che l'hardware può fare naturalmente e poi progettando la strategia di controllo attorno a tali capacità — gli scienziati possono preparare gli stati essenziali per la correzione degli errori quantistici in modo molto più efficace. Ciò fornisce una chiara via, priva di misurazioni, per inizializzare i computer quantistici, un passo critico verso la costruzione di macchine che possano eseguire algoritmi complessi senza andare in pezzi.
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