Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

Nella ricerca di un computer quantistico in grado di risolvere problemi oltre la portata delle macchine classiche, gli scienziati affrontano un nemico implacabile: il rumore. L'informazione quantistica è incredibilmente fragile, facilmente sconvolta dalla minima vibrazione o fluttuazione del suo ambiente. Per proteggere questi dati delicati, i ricercatori hanno sviluppato una strategia chiamata correzione degli errori. Invece di cercare di rendere perfetti i componenti fisici, diffondono un singolo pezzo di informazione, noto come qubit logico, attraverso molti componenti fisici. Se una parte fallisce, il sistema può rilevare l'errore e correggerlo senza distruggere l'informazione. Un approccio promettente utilizza la luce intrappolata all'interno di una cavità a microonde, memorizzando i dati nel numero di fotoni, o particelle di luce, che rimbalzano all'interno. Per controllare se i dati sono ancora al sicuro, il sistema ha bisogno di un aiutante, un piccolo dispositivo quantistico chiamato ancilla, che agisce come un sensore per leggere lo stato della luce senza toccarla direttamente.

Per anni, gli ingegneri si sono affidati a un tipo specifico di aiutante, un circuito superconduttore noto come transmon, che è stato sintonizzato in modo che i suoi livelli di energia corrispondano alla luce in un modo molto preciso. Questa corrispondenza era ritenuta uno scudo perfetto. La teoria sosteneva che se l'aiutante avesse commesso un errore e fosse sceso a uno stato di energia inferiore, il sistema l'avrebbe saputo immediatamente e avrebbe potuto correggerlo, o che certi errori pericolosi fossero fisicamente impossibili a causa delle regole di simmetria che governano il sistema. Questo design è stato utilizzato in veri processori quantistici, come il codice di ripetizione Ocelot sviluppato dai ricercatori di AWS, dove ha memorizzato con successo le informazioni per millisecondi. L'ipotesi prevalente era che gli errori dell'aiutante fossero indipendenti da quanta luce fosse memorizzata; più luce c'era, migliore era la protezione, e il comportamento dell'aiutante rimaneva costante.

Tuttavia, un'analisi recente di Aleksandr Gulkanov della Rice University suggerisce che questo scudo abbia una crepa nascosta. Osservando attentamente il modo in cui l'aiutante interagisce con la luce all'interno della cavità, il ricercatore ha scoperto che i medesimi fotoni destinati a proteggere i dati possono in realtà innescare un tipo specifico di fallimento nell'aiutante. Lo studio mostra che quando la cavità è piena di fotoni, l'aiutante può subire una transizione che prima era considerata proibita. In questo processo, l'aiutante scende a uno stato di energia inferiore aggiungendo simultaneamente un fotone al campo luminoso. Fondamentalmente, questo evento avviene senza alcun segnale di avvertimento al computer. Il sistema non sa che si è verificato un errore e, poiché lo stato dell'aiutante cambia in un modo che confonde i dati, inverte l'informazione memorizzata. Questo è un errore silenzioso, uno che il computer non può rilevare o correggere.

I ricercatori non si sono limitati a proporre questa idea teoricamente; hanno costruito un modello dettagliato dell'effettivo dispositivo Ocelot per vedere come questo canale nascosto si comporterebbe in una macchina reale. Hanno scoperto che il tasso di questi errori silenziosi dipende direttamente dal numero di fotoni nella cavità. Man mano che la quantità di luce memorizzata aumenta, la probabilità di questo specifico fallimento cresce. Questa è una deviazione significativa dai modelli precedenti, che assumevano che il tasso di errore rimanesse costante indipendentemente dall'intensità della luce. Nelle loro simulazioni, il team ha osservato che per il dispositivo Ocelot, la probabilità di un bit flip causato da questo meccanismo aumenta linearmente mentre il numero di fotoni sale da quattro a dieci. Questa crescita significa che semplicemente aggiungere più luce per rendere il codice più forte incontra un limite. Invece di far sì che il tasso di errore continui a scendere esponenzialmente come sperato, esso inizia a salire, creando un pavimento al di sotto del quale il sistema non può scendere.

Questa scoperta sfida l'attuale comprensione di come ottimizzare questi codici quantistici. Lo studio indica che esiste una dimensione ottimale per l'archiviazione della luce, un numero specifico di fotoni dove il tasso di errore è più basso. Andando oltre questo punto, cercando di memorizzare più luce per ottenere maggiore protezione, si rende in realtà il sistema più vulnerabile a questo tipo specifico di rumore. I ricercatori hanno calcolato che per i dispositivi attualmente in uso, questo limite potrebbe porre un tetto alla capacità del sistema di distinguere tra diversi tipi di errori, limitandone efficacemente le prestazioni. Hanno anche notato che, sebbene l'effetto sia piccolo negli esperimenti attuali, che hanno testato solo fino a quattro fotoni, la tendenza è chiara nel loro modello. Se la tecnologia dovesse scalare per memorizzare più luce, questo modo di fallimento silenzioso diventerà la fonte dominante di errori, superando altri problemi noti.

Il documento esplora anche perché ciò accada. Si scopre che l'aiutante e la luce non sono solo seduti l'uno accanto all'altro; sono profondamente intrecciati. La presenza della luce cambia il panorama energetico dell'aiutante, permettendo un percorso di decadimento che è bloccato quando la luce è assente. Questo percorso è guidato dal rumore elettrico, un comune ronzio di fondo in questi circuiti. Quando la luce è presente, essa agisce come un catalizzatore, stimolando l'aiutante a compiere un salto che non compirebbe da solo. I ricercatori hanno dimostrato che questo effetto è inevitabile per il tipo di aiutante attualmente in uso, indipendentemente da quanto sia forte la connessione tra l'aiutante e la luce. Gli unici modi per ridurre questo rischio sono cambiare il design dell'aiutante, utilizzare un tipo di circuito completamente diverso, o accettare che esiste un limite a quanta luce può essere utilizzata per la protezione.

Le scoperte hanno implicazioni immediate per la progettazione dei futuri computer quantistici. Gli ingegneri che hanno pianificato di aumentare la dimensione di questi codici basati sulla luce per migliorarne le prestazioni potrebbero dover riconsiderare le loro strategie. Lo studio suggerisce che spingere per codici più grandi senza affrontare questa specifica interazione potrebbe portare a rendimenti decrescenti o addirittura a prestazioni peggiori. I ricercatori sottolineano che il loro lavoro è una simulazione basata sulla fisica nota del dispositivo Ocelot, calibrata rispetto alle misurazioni statiche dell'hardware. Sebbene la crescita effettiva degli errori non sia stata ancora osservata negli esperimenti, poiché i dispositivi attuali non sono stati testati con abbastanza luce per vedere la tendenza, il quadro teorico è robusto. Il modello prevede che se gli esperimenti venissero estesi a un numero maggiore di fotoni, il tasso di errore aumenterebbe, confermando l'esistenza di questo nuovo canale.

In definitiva, questo lavoro serve da promemoria che nei sistemi quantistici, gli strumenti usati per proteggere l'informazione possono talvolta diventare la fonte della sua distruzione. I fotoni che stabilizzano il codice aprono anche una porta per far entrare il rumore. Identificando questo meccanismo, lo studio fornisce un obiettivo chiaro per i futi miglioramenti. Dice ai ricercatori che per costruire migliori computer quantistici, devono guardare oltre la semplice idea che "più luce è meglio" e concentrarsi invece sull'intricata danza tra l'aiutante e i dati che dovrebbe proteggere. La strada da seguire consiste nel riprogettare l'aiutante per evitare questa interazione o nel trovare nuovi modi per gestire il rumore che la guida, assicurando che la prossima generazione di macchine quantistiche possa davvero sfruttare il potere della luce senza cadere vittima della sua stessa presenza.