Experimental Observation of Error-Resilience Phase Transition on Superconducting Quantum Processor

Nel mondo dell'informatica quantistica, l'informazione è incredibilmente fragile. A differenza dei bit di un computer standard, che rimangono fermi finché non vengono modificati, i bit quantistici sono facilmente disturbati dal minimo sussurro di calore o dall'interferenza elettromagnetica del loro ambiente. Questo disturbo, noto come rumore, di solito distrugge il delicato stato quantistico, causando il fallimento del computer. Per anni, gli scienziati hanno cercato modi per proteggere questa informazione, spesso distribuendola su molte particelle in modo che, se una parte viene corrotta, l'intero messaggio non vada perduto. Questa idea è la base della correzione degli errori quantistici. Tuttavia, una sorprendente scoperta teorica ha suggerito che la relazione tra rumore e protezione non sia una linea semplice. Al contrario, ha proposto un cambiamento improvviso, o transizione di fase, in cui un sistema potrebbe passare improvvisamente dall'essere in grado di recuperare la propria informazione all'essere completamente incapace di farlo, a seconda di quanto diventa forte il rumore.

Un team di ricercatori ha ora portato questa idea teorica dal regno delle equazioni al mondo reale. Lavorando con un processore quantistico superconduttore presso IBM, hanno osservato con successo questa transizione per la prima volta. Hanno costruito un esperimento specifico in cui hanno rimescolato l'informazione attraverso un gruppo di qubit, hanno introdotto una quantità controllata di rumore e poi hanno cercato di rimescolarla per vedere se il messaggio originale fosse sopravvissuto. Testando sistemi che andavano da pochi qubit fino a ventisei, hanno osservato il momento esatto in cui il rumore diventava troppo forte per essere gestito dal sistema. Le loro scoperte confermano che tale punto di svolta esiste nell'hardware fisico, ma hanno anche rivelato che la versione del mondo reale di questa transizione avviene in un punto leggermente diverso rispetto a quanto previsto dalla teoria idealizzata.

L'esperimento è stato condotto su un dispositivo chiamato ibm pittsùghburg Heron r3, che contiene una griglia di qubit superconduttori. I ricercatori hanno impostato un processo che imita un protocollo di memoria. Per prima cosa, hanno preparato un insieme di qubit in uno stato noto. Successivamente, hanno applicato una sequenza complessa di operazioni per rimescolare questa informazione, diffondendola in modo che non fosse più localizzata in un singolo qubit. Questo rimescolamento è progettato per rendere l'informazione robusta contro le perturbazioni locali. Dopo il rimescolamento, hanno introdotto uno strato di rumore identico in ogni qubit. Questo rumore era un tipo specifico di errore coerente, ovvero una rotazione costante e prevedibile dello stato quantistico, piuttosto che un'interferenza casuale. Infine, hanno tentato di invertire il processo di rimescolamento per recuperare l'informazione originale.

Per determinare se l'informazione fosse sopravvissuta, il team ha misurato tre diverse proprietà dello stato finale. La prima era una misura di quanto lo stato finale corrispondesse al punto di partenza originale, chiedendosi essenzialmente: "Abbiamo recuperato il nostro messaggio?". La seconda proprietà misurava quanto i qubit fossero diventati entangled, il che indica quanto l'informazione fosse stata mescolata a fondo. La terza proprietà misurava una forma di complessità quantistica nota come non-stabilizerness, che riflette quanto sarebbe difficile simulare lo stato su un computer classico. Variando l'intensità del rumore, potevano osservare come queste tre proprietà cambiassero mentre il sistema si spostava da uno stato in cui l'informazione era sicura a uno stato in cui l'informazione era persa.

I risultati hanno mostrato una chiara transizione. Man mano che l'angolo del rumore aumentava, la capacità di recuperare l'informazione originale diminuiva drasticamente, mentre l'entanglement e la complessità del sistema aumentavano. Questo comportamento corrispondeva alle previsioni dei modelli teorici, che descrivevano uno scambio tra una fase di "protezione dagli errori" e una fase di "vulnerabilità agli errori". Tuttavia, il punto esatto in cui questo scambio avveniva non era esattamente dove aveva previsto la teoria per un sistema perfetto e ideale. Il modello teorico suggeriva che la transizione dovesse avvenire a un angolo di rumore specifico di circa 1,14. Nell'esperimento, la transizione è stata osservata a un angolo di circa 1,01.

Per capire perché l'esperimento reale differisse dalla teoria perfetta, i ricercatori hanno eseguito simulazioni computerizzate dettagliate utilizzando gli stessi design di circuiti che avevano costruito sull'hardware, ma senza alcun rumore fisico. Quando hanno analizzato queste simulazioni prive di rumore, hanno scoperto un punto di transizione di circa 1,05. Questo risultato è stato cruciale perché ha dimostrato che la differenza tra l'esperimento e la teoria non era causata dal rumore disordinato e imprevedibile dell'hardware reale. Invece, la discrepanza derivava dal fatto che i circuiti che avevano costruito non erano abbastanza profondi per essere veramente casuali come assumeva la teoria. La teoria ideale si basa su circuiti infinitamente complessi e perfettamente casuali, ma il dispositivo fisico doveva utilizzare circuiti più semplici e meno profondi che potessero effettivamente essere eseguiti. Questi circuiti meno profondi rimescolavano l'informazione in modo meno efficace, rendendo il sistema più vulnerabile al rumore e causando l'avvenire della transizione prima del previsto.

Gran parte di questo successo è dipesa da tecniche avanzate per pulire i dati. I computer quantistici sono notoriamente rumorosi e, senza correzione, il segnale della transizione di fase sarebbe stato completamente sepolto. Il team ha utilizzato due metodi specifici per correggere questo problema. Un metodo, chiamato estrapolazione dello zero-rumore (zero-noise extrapolation), consisteva nel eseguire i circuiti più volte con il rumore artificialmente aumentato e poi lavorare matematicamente all'indietro per stimare quale sarebbe stato il risultato con nessun rumore affatto. L'altro metodo, noto come mitigazione dell'errore di matrice (matrix-free measurement error mitigation), correggeva gli errori che avvenivano quando il computer leggeva lo stato finale. Quando i ricercatori hanno provato ad analizzare i dati grezzi senza queste correzioni, il modello statistico che utilizzavano non riusciva a trovare alcuna transizione chiara. I dati erano troppo dispersi e il modello non riusciva a individuare un punto critico. Ciò ha dimostrato che queste tecniche di correzione degli errori non erano solo aiuti extra, ma erano essenziali per osservare il fenomeno stesso.

Lo studio ha anche evidenziato le sfide nel misurare queste proprietà quantistiche complesse. Per determinare l'entanglement e la complessità, il team ha dovuto utilizzare una tecnica chiamata misurazioni casuali (randomized measurements). Ciò comportava l'esecuzione dello stesso circuito molte volte con diverse impostazioni casuali e poi l'uso di metodi statistici per comporre la risposta. Poiché il numero di possibili risultati cresce molto rapidamente con il numero di qubit, dovevano essere molto attenti a come raccoglievano i dati. Hanno scoperto che per i sistemi più grandi, dovevano eseguire l'esperimento molte più volte per ottenere un segnale chiaro. Anche con questi sforzi, le misurazioni della proprietà più complessa erano più rumorose delle altre, ma il modello generale rimaneva coerente in tutte e tre le misurazioni.

I ricercatori hanno concluso che, sebbene la loro configurazione sperimentale non corrispondesse perfettamente al modello matematico ideale, ha catturato con successo l'essenza della transizione di fase. Il fatto che la transizione sia avvenuta a un angolo leggermente diverso da quello previsto dalla teoria non è un fallimento, ma un prezioso approfondimento. Dimostra che la profondità e la casualità del circuito sono fattori critici nel modo in cui un sistema quantistico protegge l'informazione. Man mano che i computer quantistici diventano più grandi e complessi, comprendere questi limiti sarà vitale. Questo lavoro dimostra che, anche su macchine attuali e imperfette, gli scienziati possono osservare cambiamenti fondamentali nel modo in cui l'informazione si comporta, purché abbiano gli strumenti giusti per filtrare il rumore. La capacità di osservare questa transizione in un dispositivo reale suggerisce che i principi della protezione dell'errore quantistico siano abbastanza robusti da sopravvivere alle imperfezioni della tecnologia odierna, offrendo una strada promettente per la costruzione di computer quantistici più affidabili in futuro.