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Il team di IBM crea entanglement tra qubit logici sul processore Nighthawk
I ricercatori riferiscono di aver creato entanglement tra due qubit logici su un processore superconduttivo da 120 qubit, con una fedeltà dello stato di Bell superiore al 93%. Gli esperimenti mostrano anche come l’esclusione dei componenti
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un codice di correzione degli errori quantistici più grande dovrebbe ridurre gli errori, ma il processore Nighthawk revision 2 di IBM non ha reso automatico questo miglioramento: i componenti meno performanti hanno indebolito il codice più grande. In un preprint pubblicato il 23 ottobre, ricercatori dell’University of Sydney e di IBM riferiscono che escludere i componenti problematici ha aiutato un codice di superficie di distanza 5 a ridurre il tasso di errore logico dall’1,9% allo 0,9% per ciclo. Il team ha inoltre creato entanglement tra due qubit logici con una fedeltà dello stato di Bell superiore al 93%, usando una tecnica chiamata lattice surgery.
Il codice più grande di Nighthawk incontra un hardware dalle prestazioni disomogenee
L’esperimento è stato condotto su ibm_phoenix, un processore con reticolo quadrato, 120 qubit superconduttivi accoppiati e reset hardware rapido. I ricercatori hanno codificato le informazioni in codici di superficie di distanza 3 e di distanza 5, che impiegano numeri diversi di qubit fisici per proteggere un qubit logico dagli errori. In linea di principio, un codice più grande può correggere più errori, ma gli autori hanno riscontrato che le differenze di prestazioni tra i componenti limitavano questo vantaggio sul dispositivo.
Hanno quindi adattato i circuiti di misurazione per evitare i componenti meno performanti, con un metodo che l’articolo chiama ancilla re-purposing. Nell’esperimento sulla memoria con codice di distanza 5, questo approccio ha portato il tasso di errore logico per ciclo sotto l’1%, riducendolo dall’1,9% allo 0,9%. Secondo gli autori, il codice di distanza 5 così modificato ha raggiunto prestazioni paragonabili a quelle dei migliori codici di distanza 3 che occupavano la stessa area del chip: non una vittoria generalizzata dei codici più grandi, ma un’indicazione che i punti deboli dell’hardware possono contare quanto le dimensioni del codice.
La lattice surgery unisce due qubit codificati
Per creare entanglement tra qubit logici, il team ha usato la lattice surgery: ha unito temporaneamente regioni adiacenti di codice di superficie misurando operatori lungo il loro confine comune, per poi separarle di nuovo. La misurazione congiunta crea uno stato di Bell logico, collegando due qubit codificati anziché soltanto due singoli qubit fisici. La fedeltà dichiarata ha superato il 93%, sulla base delle misurazioni delle osservabili logiche XX e ZZ.
Il risultato presenta limiti che l’articolo esplicita. Il team ha selezionato a posteriori le esecuzioni in cui entrambi i qubit logici erano stati inizializzati correttamente prima della lattice surgery; le esecuzioni accettate rappresentavano circa il 40% del totale. Poiché l’errore di lettura nella base logica Y era elevato, i ricercatori non hanno usato una misurazione YY e hanno invece stabilito dei limiti per la fedeltà dello stato di Bell mediante misurazioni XX e ZZ.
Tre qubit logici consentono il teletrasporto
I ricercatori hanno collocato tre qubit logici di distanza 3 sul processore da 120 qubit comprimendo la regione usata per la lattice surgery. Hanno usato questa configurazione per teletrasportare una serie di stati e gate logici, riportando fedeltà dal 78% al 93%. Hanno anche trasferito una coppia di Bell tra due qubit logici non accoppiati direttamente, con una fedeltà compresa tra l’85,4% e il 91,4%; solo l’1,2% delle esecuzioni ha superato la necessaria selezione a posteriori in base allo stato iniziale.
Gli esperimenti dimostrano operazioni logiche di Clifford, ma non un insieme completo di gate universali tolleranti agli errori. Gli autori hanno preparato stati T logici senza tolleranza agli errori e affermano che servono più qubit logici e una fedeltà sensibilmente più alta prima che i computer quantistici possano risolvere problemi rilevanti per l’industria.
«Tuttavia, dobbiamo compiere ulteriori progressi prima di poter realizzare un computer quantistico capace di risolvere problemi rilevanti per l’industria.»
Scrivono Robin Harper e gli altri autori dell’articolo.
Il reset rapido rallenta l’accumulo delle fughe di stato
Il reset rapido è stato utile anche in un esperimento separato sulla stabilità, che ha verificato cicli ripetuti di misurazioni degli stabilizzatori. Una fuga di stato si verifica quando un qubit superconduttivo esce dallo spazio a due stati usato per codificare le informazioni; se le fughe si accumulano, i tassi di errore possono smettere di diminuire mentre il circuito prosegue per altri cicli. Il team ha usato un circuito «itinerante» che alternava i ruoli dei qubit di dati e degli ancilla, così che ogni qubit nella regione sottoposta al test venisse resettato ogni due cicli.
Su 50 milioni di esecuzioni di un esperimento di 170 cicli, i ricercatori hanno registrato otto decodifiche fallite, per una probabilità di errore osservata vicina a 10-7. Questo test di stabilità su un periodo prolungato è distinto dalle operazioni sui qubit logici, che impiegavano misurazione e reset rapidi, ma non il circuito itinerante. Nel complesso, i risultati mostrano sia ciò che Nighthawk ha reso possibile in questo esperimento, sia il divario individuato dagli autori: operazioni logiche più solide richiederanno una fedeltà più alta, più qubit logici e il supporto per gate non Clifford.