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

In de wereld van quantumcomputing is informatie ongelooflijk fragiel. In tegenstelling tot de bits in een standaardcomputer, die op hun plek blijven totdat je ze verandert, kunnen quantum bits gemakkelijk worden verstoord door de kleinste fluistering van warmte of elektromagnetische interferentie uit hun omgeving. Deze verstoring, bekend als ruis, vernietigt meestal de delicate quantumtoestand, waardoor de computer faalt. Jarenlang hebben wetenschappers gezocht naar manieren om deze informatie te beschermen, vaak door deze over veel deeltjes te verspreiden, zodat als één deel wordt gecorrumpeerd, de hele boodschap niet verloren gaat. Dit idee vormt de basis van quantumfoutcorrectie. Echter, een verrassende theoretische ontdekking suggereerde dat de relatie tussen ruis en bescherming geen eenvoudige rechte lijn is. In plaats daarvan stelde het een plotselinge verschuiving voor, of faseovergang, waarbij een systeem plotseling kan overschakelen van in staat zijn om informatie te herstellen naar volledig niet meer in staat zijn om dat te doen, afhankelijk van hoe sterk de ruis wordt.

Een team van onderzoekers heeft deze theoretische idee nu uit de wereld van vergelijkingen naar de echte wereld gebracht. Werkend met een supergeleidende quantumprocessor bij IBM, hebben zij deze transitie voor het eerst succesvol waargenomen. Ze bouwden een specifiek experiment waarbij ze informatie door een groep qubits verspreidden, een gecontroleerde hoeveelheid ruis introduceerden, en vervolgens probeerden de informatie weer te ontscramblen om te zien of de oorspronkelijke boodschap overleefde. Door systemen te testen variërend van een paar qubits tot zesentwintig, hielden ze toezicht op het exacte moment waarop de ruis te sterk werd voor het systeem om te verwerken. Hun bevindingen bevestigen dat een dergelijk kantelpunt bestaat in fysieke hardware, maar ze onthulden ook dat de real-world versie van deze transitie op een iets ander punt plaatsvindt dan de geïdealiseerde theorie voorspelde.

Het experiment werd uitgevoerd op een apparaat genaamd de ibm pittsburgh Heron r3, die een rooster van supergeleidende qubits bevat. De onderzoekers zetten een proces op dat een geheugenprotocol nabootst. Eerst bereidden ze een set qubits voor in een bekende toestand. Vervolgens pasten ze een complexe reeks operaties toe om deze informatie te scramblen, waardoor deze werd verspreid zodat deze niet langer gelokaliseerd was aan een enkele qubit. Deze scrambling is ontworpen om de informatie robuust te maken tegen lokale verstoringen. Na de scrambling introduceerden ze een laag identieke ruis op elke qubit. Deze ruis was een specifiek type coherente fout, wat betekent dat het een consistente, voorspelbare rotatie van de quantumtoestand was in plaats van willekeurige statische ruis. Ten slotte probeerden ze het scramblingproces om te keren om de oorspronkelijke informatie te extraheren.

Om te bepalen of de informatie overleefde, mat het team drie verschillende eigenschappen van de uiteindelijke toestand. De eerste was een maatstaf voor hoe nauw de uiteindelijke toestand overeenkwam met het oorspronkelijke startpunt, wat in essentie vraagt: "Kregen we onze boodschap terug?" De tweede eigenschap mat hoe verstrengeld de qubits waren geraakt, wat aangeeft hoe grondig de informatie was gemengd. De derde eigenschap mat een vorm van quantumcomplexiteit bekend als non-stabilizerness, wat reflecteert hoe moeilijk de toestand te simuleren zou zijn op een klassieke computer. Door de sterkte van de ruis te variëren, konden ze zien hoe deze drie eigenschappen veranderden terwijl het systeem bewoog van een toestand waarin de informatie veilig was naar een toestand waarin de informatie verloren was.

De resultaten toonden een duidelijke transitie. Naarmate de ruishoek toenam, daalde het vermogen om de oorspronkelijke informatie te herstellen scherp, terwijl de verstrengeling en de complexiteit van het systeem toenamen. Dit gedrag kwam overeen met de voorspellingen van de theoretische modellen, die een schakeling beschreven tussen een "fout-beschermende" fase en een "fout-kwetsbare" fase. Echter, het exacte punt waar deze schakeling plaatsvond, was niet precies waar de theorie voor een perfect, ideaal systeem het had voorspeld. Het theoretische model suggereerde dat de transitie zou plaatsvinden bij een specifieke ruishoek van ongeveer 1,14. In het experiment werd de transitie waargenomen bij een hoek van ongeveer 1,01.

Om te begrijpen waarom het echte experiment verschilde van de perfecte theorie, voerden de onderzoekers gedetailleerde computersimulaties uit met exact dezelfde circuitontwerpen die ze op de hardware hadden gebouwd, maar zonder fysieke ruis. Wanneer ze deze ruisloze simulaties analyseerden, vonden ze een transitiepunt van ongeveer 1,05. Dit resultaat was cruciaal omdat het aantoonde dat het verschil tussen het experiment en de theorie niet werd veroorzaakt door de rommelige, onvoorspelbare ruis van de eigenlijke hardware. In plaats daarvan kwam de discrepantie voort uit het feit dat de circuits die ze bouwden niet diep genoeg waren om werkelijk willekeurig te zijn op de manier die de theorie veronderstelde. De ideale theorie leunt op circuits die oneindig complex en perfect willekeurig zijn, maar het fysieke apparaat moest eenvoudigere, vlakkere circuits gebruiken die daadwerkelijk uitgevoerd konden worden. Deze vlakkere circuits scrambleden de informatie minder effectief, waardoor het systeem kwetsbaarder werd voor ruis en de transitie eerder dan verwacht plaatsvond.

Een groot deel van dit succes steunde op geavanceerde technieken om de data op te schonen. Quantumcomputers zijn berucht luidruchtig, en zonder correctie zou het signaal van de faseovergang volledig begraven zijn. Het team gebruikte twee specifieke methoden om dit te corrigeren. De ene methode, genaamd zero-noise extrapolation, hield in dat de circuits meerdere keren werden uitgevoerd met de ruis kunstmatig verhoogd, om vervolgens wiskundig terug te rekenen naar wat het resultaat zou zijn geweest met helemaal geen ruis. De andere methode, bekend als matrix-free measurement error mitigation, corrigeerde voor fouten die optraden wanneer de computer de uiteindelijke toestand uitleesde. Wanneer de onderzoekers probeerden de ruwe data te analyseren zonder deze correcties, kon het statistische model dat ze gebruikten geen duidelijke transitie vinden. De data waren te verspreid en het model kon geen kritiek punt aanwijzen. Dit bewees dat deze foutcorrectietechnieken niet slechts handige extra's waren; ze waren essentieel om het fenomeen überhaupt te kunnen zien.

De studie benadrukte ook de uitdagingen bij het meten van deze complexe quantumeigenschappen. Om de verstrengeling en de complexiteit te bepalen, gebruikten het team een techniek genaamd randomized measurements. Dit hield in dat hetzelfde circuit vele malen werd uitgevoerd met verschillende willekeurige instellingen, waarna statistische methoden werden gebruikt om het antwoord samen te stellen. Omdat het aantal mogelijke uitkomsten zeer snel groeit met het aantal qubits, moesten ze zeer zorgvuldig zijn bij het verzamelen van hun data. Ze ontdekten dat ze voor grotere systemen de experimenten veel vaker moesten uitvoeren om een duidelijk signaal te krijgen. Zelfs met deze inspanningen waren de metingen van de meest complexe eigenschap ruiziger dan die van de andere, maar het algemene patroon bleef consistent over alle drie de metingen.

De onderzoekers concludeerden dat hoewel hun experimentele opzet niet perfect overeenkwam met het ideale wiskundige model, het de essentie van de faseovergang succesvol heeft gevangen. Het feit dat de transitie op een iets andere hoek verscheen dan de theorie voorspelde, is geen falen, maar een waardevol inzicht. Het toont aan dat de diepte en willekeur van het circuit cruciale factoren zijn in hoe goed een quantum systeem informatie kan beschermen. Naarmate quantumcomputers groter en complexer worden, zal het begrijpen van deze grenzen van vitaal belang zijn. Dit werk demonstreert dat wetenschappers, zelfs op huidige, imperfecte machines, fundamentele verschuivingen in hoe informatie zich gedraagt kunnen observeren, mits ze de juiste instrumenten hebben om de ruis weg te filteren. Het vermogen om deze transitie in een echt apparaat te zien, suggereert dat de principes van quantumfoutbescherming robuust genoeg zijn om de imperfecties van de huidige technologie te overleven, wat een veelbelovend pad biedt voor het bouwen van meer betrouwbare quantumcomputers in de toekomst.