Osservazione sperimentale della transizione di resilienza agli errori su un processore quantistico superconduttore

Abstract degli autori

Le unitarie casuali rimescolano l’informazione quantistica distribuendola su gradi di libertà altamente non locali, proteggendola così dal rumore locale. Tuttavia, come dimostrato da Turkeshi e Sierant (Phys. Rev. Lett. 132, 140401, 2024 e arXiv:2603.00235), questa protezione può venir meno quando il rumore locale diventa sufficientemente intenso. Questi lavori descrivono una transizione di fase in un modello di circuito rumoroso casuale di codifica-decodifica, tra una fase di protezione dagli errori, in cui l’informazione codificata è recuperabile, e una fase vulnerabile agli errori, in cui l’informazione codificata va perduta; la transizione si verifica a un angolo critico di rumore coerente $α_c \approx 1.14$. Qui presentiamo la prima osservazione sperimentale di questa transizione, condotta sul dispositivo Heron r3 ibm_pittsburgh di IBM per sistemi di dimensioni fino a $N = 26$ qubit. Rileviamo la transizione attraverso tre parametri d’ordine: la fedeltà, l’entropia entanglement di Rényi-2 e l’entropia stabilizer di Rényi-2. Per le ultime due, impieghiamo protocolli di misurazione randomizzata per costruire stimatori; per tutte e tre, ci affidiamo all’estrapolazione a rumore zero e alla mitigazione degli errori SPAM M3. Modelliamo poi congiuntamente, mediante una regressione a processi gaussiani, il collasso di scala a dimensione finita per tutti e tre i parametri d’ordine, ottenendo un angolo critico $α_c \approx 1.01$, ben al di sotto del valore teorico. Inserendo dati simulati senza rumore nello stesso modello si ottiene $α_c \approx 1.05$, il che implica che la discrepanza tra esperimento e teoria è dovuta ai nostri circuiti di codifica, che non sono abbastanza profondi da essere realmente casuali secondo Haar. Infine, osserviamo che lo stesso modello non riesce a individuare adeguatamente un comportamento critico nei dati sperimentali grezzi, non mitigati. Ciò indica che le tecniche di mitigazione degli errori sono fondamentali per rilevare la transizione sull’hardware.