Le correlazioni quantistiche tra due ioni berillio (rappresentati come sfere blu) vengono misurate in sequenza utilizzando uno ione calcio ausiliario (sfera rossa) e stabilizzate dal controllo del feedback attraverso un potente sistema di controllo classico (in basso a destra) che presenta un'elaborazione flessibile in sequenza. Credito:ETH Zurigo / Home group
I sistemi quantistici possono essere manipolati con estrema precisione, ma non perfettamente. I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo hanno ora dimostrato come monitorare e correggere gli errori che si verificano durante tali operazioni.
Il campo della computazione quantistica ha visto enormi progressi negli ultimi anni. Sempre più, i dispositivi quantistici stanno sfidando i computer convenzionali, almeno una manciata di compiti selezionati. Nonostante gli attuali progressi, i processori di informazione quantistica di oggi faticano ancora a far fronte agli errori, che inevitabilmente si verificano in ogni calcolo. Questa incapacità di correggere gli errori in modo efficiente ostacola gli sforzi verso elaborazione su larga scala di informazioni quantistiche. Ora, una serie di esperimenti del gruppo di Jonathan Home presso l'Institute for Quantum Electronics ha, per la prima volta, integrato una gamma di elementi necessari per eseguire la correzione degli errori quantistici in un singolo esperimento. Questi risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Natura .
Rendere tollerabile l'imperfezione
Proprio come le loro controparti classiche, i computer quantistici sono costruiti con componenti imperfetti, e sono molto più sensibili ai disturbi dall'esterno. Ciò porta inevitabilmente a errori durante l'esecuzione dei calcoli. Per i computer convenzionali, esiste un toolkit ben consolidato per rilevare e correggere tali errori. I computer quantistici faranno ancora più affidamento sull'individuazione e la correzione degli errori. Ciò richiede approcci concettualmente diversi che tengano conto del fatto che l'informazione è codificata in stati quantistici. In particolare, leggere le informazioni quantistiche ripetutamente senza disturbarle, un requisito per il rilevamento degli errori, e reagire in tempo reale per invertire questi errori pone notevoli sfide.
Ripeti le prestazioni
Il gruppo Home codifica le informazioni quantistiche negli stati quantistici di singoli ioni che sono legati insieme in una trappola. Tipicamente, queste stringhe contengono ioni di una sola specie. Ma Ph.D. studenti Vlad Negnevitsky e Matteo Marinelli, insieme al postdoc Karan Mehta e altri colleghi, ora hanno creato stringhe in cui hanno intrappolato due specie diverse:due ioni di berillio ( 9 Essere + ) e uno ione calcio ( 40 Circa + ). Tali stringhe di specie miste sono state prodotte in precedenza, ma il team li ha usati in modi nuovi.
Hanno fatto uso delle proprietà nettamente diverse che possiedono le due specie. In particolare, nei loro esperimenti, hanno manipolato e misurato gli ioni di berillio e calcio usando diversi colori di luce. Questo apre una strada per lavorare su una specie senza disturbare l'altra. Allo stesso tempo, i ricercatori dell'ETH hanno trovato modi per far interagire gli ioni diversi tra loro in modo tale che le misurazioni sullo ione calcio forniscano informazioni sugli stati quantistici degli ioni berillio, senza corrompere quei fragili stati. È importante sottolineare che i fisici monitoravano ripetutamente gli ioni di berillio poiché erano soggetti a imperfezioni ed errori. Il team ha eseguito 50 misurazioni sullo stesso sistema, considerando che in esperimenti precedenti (dove sono stati utilizzati solo ioni calcio), tale lettura ripetuta è stata limitata a pochi round.
Azione correttiva
Individuare gli errori è una cosa; agire per rettificarli un altro. Per fare quest'ultima, i ricercatori hanno sviluppato un potente sistema di controllo per spingere ripetutamente gli ioni di berillio a seconda di quanto si sono allontanati dallo stato target. Riportare gli ioni in carreggiata ha richiesto un'elaborazione complessa delle informazioni sulla scala temporale dei microsecondi. Poiché il sistema utilizza l'elettronica di controllo classica, l'approccio ora dimostrato dovrebbe essere utile anche per piattaforme di calcolo quantistico basate su vettori di informazioni diversi dagli ioni intrappolati.
È importante sottolineare che Negnevitsky, Marinelli, Mehta e i loro collaboratori hanno dimostrato che queste tecniche possono essere utilizzate anche per stabilizzare stati in cui i due ioni berillio condividono stati quantici entangled, che non hanno equivalenti diretti nella fisica classica. L'entanglement è un ingrediente che dota i computer quantistici di capacità uniche. Inoltre, l'entanglement può essere utilizzato anche per migliorare l'accuratezza delle misurazioni di precisione. Ingredienti per la correzione degli errori come quelli ora dimostrati possono far durare più a lungo questi stati, fornendo prospettive intriganti non solo per il calcolo quantistico ma anche per la metrologia.
