The Signal
IBM e Rutgers guidano il caos quantistico su 100 qubit
I ricercatori di IBM e Rutgers hanno usato misurazioni a metà circuito e reset condizionali per controllare la dinamica caotica quantistica su un processore con fino a 100 qubit. Il loro studio pubblicato su Nature Physics rileva una transi
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Quasi 5.000 gate entangling e 5.000 operazioni di misurazione e reset: è il carico di lavoro che i ricercatori di IBM e Rutgers riferiscono di aver eseguito su un massimo di 100 qubit per guidare un sistema quantistico tra un comportamento caotico e uno controllato. Lo studio, pubblicato il 9 ottobre su Nature Physics, usa misurazioni effettuate durante una computazione per decidere quando resettare i qubit. È una dimostrazione di controllo della dinamica quantistica, non una dimostrazione di correzione degli errori quantistici.
I reset competono con una mappa che rimescola le informazioni
Il gruppo ha realizzato una versione quantistica della mappa di Bernoulli, un modello di dinamica caotica che rimescola le informazioni in un sistema. Le misurazioni locali a metà circuito forniscono il feedback: a seconda dell’esito della misurazione, un qubit può essere resettato mentre il circuito è in esecuzione. I ricercatori hanno variato la probabilità di applicare questo controllo, mettendo in competizione le operazioni di rimescolamento e di reset.
Quando i reset sono poco frequenti, il rimescolamento prevale e la magnetizzazione media si avvicina a zero. Un controllo più frequente porta il sistema verso uno stato in cui tutti i qubit sono a zero. I ricercatori hanno misurato il passaggio tra questi regimi sul processore Heron r2 a 156 qubit ibm_fez di IBM, selezionando per ogni esperimento una linea di massimo 100 qubit.
Una transizione vicino a una ripartizione a metà
La transizione rilevata si colloca vicino a una probabilità di controllo pari a un mezzo: l’analisi di scala a dimensione finita colloca il punto critico sperimentale a 0,495, con un’incertezza di 0,001. Lo studio riporta un esponente della lunghezza di correlazione pari a 1,05, con un’incertezza di 0,02. Queste stime concordano con i calcoli degli autori basati su stati a prodotto di matrici per sistemi fino a 40 qubit e con un modello di meccanica statistica che arriva a 100.
«Applicando con successo fino a quasi 5.000 gate entangling e 5.000 operazioni non unitarie a metà circuito su sistemi fino a 100 qubit, il processore quantistico fornisce stime accurate delle proprietà critiche universali», scrivono Bibek Pokharel, Haining Pan et al., Nature Physics. Il gruppo afferma di aver ottenuto i risultati sperimentali relativi allo stato stazionario senza mitigazione degli errori. Il risultato mostra che un grande processore superconduttivo può eseguire circuiti adattivi a questa scala e riprodurre il comportamento critico della transizione prevista.
Il rumore limita ciò che il risultato a 100 qubit dimostra
Per distinguere un sistema quantistico da uno classico non basta osservare la transizione media: il modello classico di meccanica statistica degli autori riproduce quella media. Per sondare il comportamento quantistico, i ricercatori hanno esaminato anche le fluttuazioni della magnetizzazione e confrontato le loro distribuzioni con simulazioni basate su stati a prodotto di matrici e con un modello che provoca la completa perdita di coerenza di fase dei qubit dopo i gate. Sul versante caotico e vicino alla transizione, le distribuzioni misurate corrispondono meglio alla simulazione quantistica che al modello con perdita di coerenza di fase, anche se gli autori descrivono la differenza come sottile.
Sul versante controllato, il rumore del dispositivo compromette il confronto: nessuno dei due modelli riproduce bene le fluttuazioni misurate e gli errori di lettura attenuano una caratteristica attesa nello stato ideale in cui tutti i qubit sono a zero. L’esperimento fornisce quindi evidenze di dinamica quantistica nel regime esaminato, ma non dimostra un vantaggio computazionale quantistico né la correzione degli errori. Lo studio precisa inoltre che i dati sperimentali e i file delle simulazioni sono disponibili su richiesta presso l’autore corrispondente, anziché in un archivio pubblico.
Controllare non significa correggere
La misurazione a metà circuito e il reset condizionale sono tecniche che possono essere impiegate anche nella computazione quantistica tollerante ai guasti, dove controlli ripetuti aiutano a rilevare e correggere gli errori. Qui, però, i ricercatori controllano la dinamica di un modello: non codificano qubit logici, non misurano sindromi d’errore e non eseguono un ciclo di correzione degli errori. La distinzione è importante perché migliaia di operazioni di feedback mostrano che l’hardware può eseguire un esperimento adattivo impegnativo, non che può preservare una computazione utile dagli errori.
Il risultato lascia aperta una questione tecnica concreta: in che misura gli esperimenti futuri potranno distinguere dal rumore del dispositivo il segnale di fluttuazione osservato, soprattutto nel regime controllato? Una seconda questione è se lo stesso approccio basato sul feedback possa essere misurato in modo più conclusivo a 100 qubit, dove il confronto tra le distribuzioni quantistiche e classiche presentato nello studio resta limitato dal rumore.