The Signal
La correzione degli errori in un singolo ione prolunga di 12,9 volte la vita di un qubit
Un gruppo di ricerca che lavora con ioni intrappolati riferisce di aver prolungato a 11,6 millisecondi la vita di un qubit logico in presenza di rumore magnetico introdotto artificialmente, grazie alla correzione autonoma degli errori quant
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un esperimento con ioni intrappolati ha prolungato la vita di un qubit logico a 11,6 millisecondi in presenza di rumore magnetico aggiunto deliberatamente: circa 12,9 volte la durata del miglior qubit fisico sottoposto a test. Il gruppo riferisce il risultato in un articolo pubblicato il 23 ottobre su Nature Physics, utilizzando una correzione autonoma degli errori che non richiede misurazioni ripetute né feedback in tempo reale.
Un solo ione di calcio ospita il qubit logico
L’esperimento utilizza due ioni di calcio-40 intrappolati. I ricercatori codificano il qubit logico in quattro stati di Zeeman interni di uno degli ioni, all’interno del suo livello energetico D5/2; il secondo ione funge da ausiliario per il raffreddamento. Anziché distribuire l’informazione codificata tra diversi qubit di dati, lo schema sfrutta i molteplici stati interni del primo ione per distinguere gli stati logici protetti dagli stati raggiunti quando si verificano errori.
Gli autori scrivono: «Qui realizziamo una correzione autonoma degli errori quantistici con un qubit logico codificato in più stati di spin interni di un singolo ione intrappolato e superiamo la soglia di pareggio per la durata del qubit». Yi Li et al., «Beating the break-even point with autonomous quantum error correction», Nature Physics.
Il raffreddamento rimuove l’entropia senza misurazioni
La correzione interviene sul dephasing del primo ordine, un errore di fase causato dalle fluttuazioni del campo magnetico. Impulsi Raman sulle bande laterali, appositamente calibrati, trasferiscono l’entropia associata agli errori dallo stato interno dello ione a un modo di moto condiviso. Lo ione ausiliario contribuisce poi a raffreddare quel moto per via simpatetica, asportando l’entropia e riportando il sistema verso il suo stato logico.
Ogni ciclo di correzione combina questo trasferimento di entropia con il raffreddamento e il reset. L’esperimento caratterizza il processo mediante tomografia quantistica di processo: in condizioni ambientali, la fedeltà di processo misurata è 0,92(2) quando lo stato iniziale si trova nello spazio degli errori e 0,98(1) quando si trova nello spazio logico. Queste misurazioni descrivono l’intero ciclo di correzione, non soltanto il confronto tra le durate.
Il rumore introdotto artificialmente rende più rigorosa la verifica della soglia di pareggio
Nel test controllato, i ricercatori aggiungono rumore magnetico a bassa frequenza con una frequenza di taglio di 10 hertz. La correzione ripetuta prolunga la vita del qubit logico a 11,6 ± 1,9 millisecondi, rispetto a 0,9 ± 0,1 millisecondi per la migliore codifica di un qubit fisico e a 0,8 ± 0,1 millisecondi per un qubit codificato senza correzione. Il fattore di incremento riportato è 12,9 ± 2,6.
Il gruppo verifica il sistema anche nelle condizioni ambientali del laboratorio. In questo caso, la durata stimata mediante un fit è di 60,9 ± 33,0 millisecondi per il qubit logico corretto e di 26,0 ± 5,4 millisecondi per il qubit fisico, con un fattore di incremento di 2,3 ± 1,4. La maggiore incertezza riflette le fluttuazioni del rumore di fondo; il test con rumore introdotto deliberatamente offre un confronto più controllato.
Un risultato per una memoria, non ancora per un computer multi-qubit
Il risultato dimostra un vantaggio in termini di durata per una memoria logica basata su un singolo ione nelle condizioni di dephasing esaminate. Non dimostra una protezione contro ogni tipo di errore: gli autori indicano gli errori di fase di ordine superiore come al di fuori delle attuali capacità di correzione del codice. Estendere il codice a un maggior numero di stati interni è una possibile strada per affrontare ulteriori tipi di errore.
L’esperimento non mostra neppure operazioni di entanglement tra qubit logici. L’articolo indica tali gate come un requisito tecnico successivo per costruire sistemi più grandi a partire da queste memorie. Per ora, il benchmark misurato è specifico: in presenza di rumore magnetico a bassa frequenza introdotto artificialmente, il qubit logico corretto dura 11,6 ± 1,9 millisecondi, contro 0,9 ± 0,1 millisecondi per il miglior qubit fisico usato come riferimento.