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Un test su H2-2 a 56 qubit rivela i compromessi delle codifiche bosoniche
Uno studio pubblicato il 21 ottobre confronta tre codifiche a qubit per la simulazione bosonica e testa circuiti unary e Dicke sul computer H2-2 a 56 qubit di Quantinuum. Le simulazioni classiche favoriscono la codifica binary quadrature pe
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Una codifica compatta è risultata la migliore nel confronto dei costi condotto dai ricercatori con simulazioni classiche, ma è proprio quella che non hanno testato sul dispositivo quantistico. In un articolo pubblicato il 21 ottobre, Maarten Stroeks, Jelena Mackeprang, Yaroslav Herasymenko e Barbara Terhal confrontano diversi modi di rappresentare un modo bosonico con qubit, poi eseguono le codifiche unary e Dicke sul computer a ioni intrappolati H2-2 a 56 qubit di Quantinuum. I risultati pongono un limite pratico al confronto principale: gli esperimenti sul dispositivo esaminano soltanto due delle tre codifiche principali.
La codifica binary quadrature prevale nel confronto classico
Lo studio esamina la codifica unary Fock, una codifica Dicke proposta per la prima volta e la codifica binary quadrature. I ricercatori valutano un’operazione di spostamento e l’evoluzione temporale secondo il modello Dicke, che accoppia un modo bosonico ad atomi rappresentati da qubit. Le simulazioni classiche confrontano l’accuratezza e il costo in risorse, tra cui il numero di qubit, la profondità dei circuiti e il numero di gate CNOT.
Secondo gli autori, in queste simulazioni la codifica binary quadrature risulta complessivamente la migliore perché usa i qubit in modo efficiente, mantenendo relativamente basso il costo dei circuiti grazie alla trasformata quantistica di Fourier. Il vantaggio non è universale: le risorse necessarie dipendono dall’accuratezza richiesta e dalla simulazione, e l’articolo precisa che il confronto non è esaustivo. Il gruppo esclude inoltre la codifica binary Fock dai benchmark, perché realizzare con essa l’operazione di spostamento comporta un aumento delle dimensioni e della profondità dei circuiti.
«La nostra nuova codifica Dicke produce circuiti molto poco profondi, ma richiede in cambio molti più qubit».
Maarten Stroeks, Jelena Mackeprang, Yaroslav Herasymenko e Barbara Terhal, autori dell’articolo
Circuiti poco profondi richiedono più qubit
Il nuovo schema Dicke associa gli stati di Fock bosonici a stati di più qubit simmetrici per permutazione. Il suo circuito di spostamento usa soltanto gate a singolo qubit e ha profondità uno, ma per mantenere piccolo l’errore di codifica richiede molti più qubit della codifica unary Fock. La codifica unary usa un qubit per ogni livello di Fock incluso; quella Dicke distribuisce ogni eccitazione su un registro più grande.
La codifica binary quadrature segue una strada diversa, rappresentando in forma binaria una coordinata discretizzata analoga alla posizione. Il suo operatore di impulso usa una trasformata quantistica di Fourier, che contribuisce a rendere la codifica efficiente nell’uso dei qubit. Ma per i parametri del modello Dicke esaminati, l’articolo stima che la codifica binary quadrature richiederebbe 50 strati di Trotter e 3.700 gate CNOT, con una profondità prevista di 3.700. Sono stime teoriche, non risultati ottenuti sul dispositivo.
I test su H2-2 mostrano il compromesso legato al rumore
I ricercatori hanno eseguito su H2-2 esperimenti di spostamento e sul modello Dicke usando le codifiche unary e Dicke. Per lo spostamento, il circuito unary rappresentava il modo bosonico con 13 qubit e usava 11 strati di Trotter; la codifica Dicke usava 45 qubit. Il gruppo ha fissato a 0,1 l’errore massimo ammesso per il valore di aspettazione dell’impulso misurato e ha raccolto 500 acquisizioni per circuito.
Il circuito di spostamento Dicke, costruito con gate a singolo qubit, ha seguito da vicino la previsione in assenza di rumore. La codifica unary ha mostrato scostamenti maggiori, che gli autori collegano alle maggiori dimensioni dei suoi circuiti e alla loro crescita all’aumentare dello spostamento e degli strati di Trotter. Il confronto sull’hardware illustra quindi un compromesso, non una superiorità assoluta: la codifica Dicke, che richiede più qubit, può ridurre l’esposizione del circuito al rumore.
La codifica non testata delimita il confronto
Per l’evoluzione temporale del modello Dicke, le esecuzioni sul dispositivo hanno usato tre qubit per gli atomi, con tre qubit bosonici per la codifica unary e cinque per la codifica Dicke. All’ultimo passo temporale, le profondità dei circuiti compilati erano 111 per unary e 56 per Dicke, mentre i rispettivi numeri di gate a due qubit erano 93 e 100. Nei tempi più avanzati, i risultati di unary si sono discostati dalla curva prevista; la post-selezione delle esecuzioni che uscivano dal sottospazio codificato unary ha migliorato i dati, ma non ha eliminato lo scostamento nei tempi più avanzati.
La codifica binary quadrature non è stata eseguita su H2-2: gli autori affermano che l’accesso limitato al dispositivo ha impedito quegli esperimenti. Le prove più solide a suo favore derivano quindi dalla modellizzazione classica delle risorse, mentre i dati ottenuti sull’hardware confrontano unary e Dicke. È una distinzione importante per chi interpreta il test a 56 qubit come una classifica diretta delle tre codifiche basata su prove condotte sul dispositivo.