The Signal
Un team di Chicago e IBM mappa la retroazione delle misurazioni con tre misure
Un team della University of Chicago e di IBM presenta un protocollo che, usando sequenze di tre misurazioni ripetute, ricostruisce sia i risultati registrati dalle misurazioni a metà circuito sia il modo in cui queste alterano lo stato dei
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
«Di conseguenza, le misurazioni a metà circuito realistiche presentano sia errori di lettura sia errori di retroazione, tra cui l’eccitazione o il decadimento indotti dalla misurazione, che una sola matrice di confusione non può rappresentare».
Scrivono Chia-Tung Chu e i suoi coautori, autori dell’articolo.
Una misurazione a metà circuito fa due cose: registra un risultato classico e modifica lo stato quantistico che prosegue nel circuito. Una matrice di confusione standard rileva se il risultato comunicato è errato, ma non come la misurazione stessa perturba il qubit. In un articolo pubblicato il 26 ottobre su Physical Review Letters, ricercatori della University of Chicago e di IBM Quantum descrivono un protocollo che ricostruisce entrambi gli effetti a partire da sequenze di appena tre misurazioni ripetute.
La distinzione conta nei circuiti dinamici, nei quali un qubit può essere misurato e poi riutilizzato, per esempio durante l’estrazione della sindrome o il reset basato su misurazioni. Gli errori nello stato residuo possono accumularsi nelle operazioni successive anche quando i risultati registrati sembrano accurati. Il metodo del team rileva le correlazioni tra il bit comunicato e lo stato del qubit dopo la misurazione, compreso il caso in cui la misurazione spinga il qubit verso lo stato zero o uno.
Tre risultati vincolano un processo di misurazione nascosto
I ricercatori modellano la misurazione di un singolo qubit con una coppia di matrici di transizione di stato condizionate al risultato. Ciascuna matrice descrive le probabilità di un risultato comunicato e di uno stato risultante nella base computazionale, dato lo stato precedente alla misurazione. Per ricostruire questo modello ridotto, applicano tre misurazioni ripetute e randomizzate a un input massimamente misto e utilizzano le probabilità delle sequenze di bit ottenute.
Tre ripetizioni identificano tutti i parametri ricostruibili del modello tranne un grado di libertà di gauge: descrizioni matematiche diverse possono produrre le stesse sequenze osservate. Gli autori delimitano questa ambiguità imponendo che le probabilità ricostruite restino fisicamente valide e riportano intervalli, anziché fingere che i dati individuino un’unica descrizione. Il protocollo usa lo Z-twirling, che semplifica il processo mantenendo le transizioni tra le popolazioni e le correlazioni tra lettura e retroazione.
I test IBM riguardano 60 qubit selezionati
Il team ha testato il metodo su 20 qubit selezionati per ciascuno di tre processori IBM Heron da 156 qubit: ibm_kingston, ibm_pittsburgh e ibm_boston. I circuiti usati per ricostruire il modello avevano profondità tre. Per ciascun qubit, i ricercatori hanno usato quattro configurazioni di randomizzazione dell’input e raccolto un milione di esecuzioni per configurazione, per un totale di quattro milioni di esecuzioni per qubit nella ricostruzione del modello.
Nei tre processori, il tasso di decadimento indotto dalla misurazione — da uno a zero — stimato dal modello era da uno a due ordini di grandezza superiore al tasso di eccitazione, da zero a uno. Secondo gli autori, lo squilibrio è coerente con il predominio della rilassazione T1, o emissione spontanea, nella retroazione del loro modello ridotto. Gli intervalli fisicamente ammessi per i tassi di errore stimati avevano in genere un’ampiezza inferiore al 10% rispetto ai rispettivi valori centrali.
Le previsioni migliorano, sotto determinate ipotesi
Per una verifica indipendente, i ricercatori hanno eseguito sequenze di 10 blocchi ripetuti di gate X e misurazione. Il modello completo ricostruito ha previsto l’osservabile Pauli-Z con scostamenti da uno a due ordini di grandezza inferiori a quelli di un modello predittivo basato su una matrice di confusione, che non aggiorna lo stato del qubit dopo la misurazione. L’abstract dell’articolo riassume il miglioramento come pari a circa 100 volte.
Il risultato riguarda uno specifico modello efficace, non ogni possibile processo di misurazione: l’analisi presuppone un comportamento stazionario, markoviano e privo di leakage ed elimina deliberatamente, tramite twirling, le informazioni sensibili alla coerenza. Sequenze più lunghe possono verificare se le probabilità misurate delle sequenze di bit restano coerenti con queste ipotesi. In esecuzioni IBM indipendenti con meno misure, il 99,4% delle ricostruzioni è riuscito con 10.000 esecuzioni per ciascuna configurazione dell’input di Pauli; gli autori avvertono inoltre che alcuni strumenti di misurazione possono rendere gli stimatori più sensibili al rumore dovuto al numero finito di esecuzioni.
Tenendo conto del cambiamento di stato che segue ogni bit comunicato, il protocollo fornisce informazioni che una calibrazione limitata alla lettura tralascia. La distinzione è particolarmente importante quando i circuiti riutilizzano qubit misurati: a determinare l’operazione successiva sono anche il decadimento e l’eccitazione accumulati, non soltanto un risultato registrato erroneamente.