Pobody's nerfect, nemmeno l'indifferente, calcolo dei bit che sono alla base dei computer. Ma il gruppo di JQI Fellow Christopher Monroe, insieme ai colleghi della Duke University, hanno compiuto progressi per garantire che possiamo fidarci dei risultati dei computer quantistici anche quando sono costruiti da pezzi che a volte falliscono. Hanno dimostrato in un esperimento, per la prima volta, che un assemblaggio di pezzi di calcolo quantistico può essere migliore delle parti peggiori utilizzate per realizzarlo. In un articolo pubblicato sulla rivista Natura il 4 ottobre, 2021, il team ha condiviso come hanno compiuto questo passo fondamentale verso l'affidabilità, computer quantistici pratici.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno combinato diversi qubit, la versione quantistica dei bit, in modo che funzionassero insieme come una singola unità chiamata qubit logico. Hanno creato il qubit logico basato su un codice di correzione degli errori quantistici in modo che, a differenza dei singoli qubit fisici, gli errori possono essere facilmente individuati e corretti, e lo hanno reso tollerante agli errori, in grado di contenere gli errori per ridurre al minimo i loro effetti negativi.

"I qubit composti da ioni atomici identici sono nativamente molto puliti da soli, "dice Monroe, che è anche membro del Joint Center for Quantum Information and Computer Science e professore al College Park presso il Dipartimento di Fisica dell'Università del Maryland. "Però, ad un certo punto, quando sono richiesti molti qubit e operazioni, gli errori devono essere ulteriormente ridotti, ed è più semplice aggiungere più qubit e codificare le informazioni in modo diverso. La bellezza dei codici di correzione degli errori per gli ioni atomici è che possono essere molto efficienti e possono essere attivati ​​in modo flessibile tramite controlli software".

Questa è la prima volta che un qubit logico ha dimostrato di essere più affidabile del passaggio più soggetto a errori richiesto per realizzarlo. Il team è stato in grado di mettere con successo il qubit logico nel suo stato iniziale e misurarlo il 99,4% delle volte, nonostante si basino su sei operazioni quantistiche che dovrebbero funzionare individualmente solo il 98,9% delle volte.

Potrebbe non sembrare una grande differenza, ma è un passo cruciale nella ricerca per costruire computer quantistici molto più grandi. Se le sei operazioni quantistiche fossero lavoratori della catena di montaggio, ognuno concentrato su un compito, la catena di montaggio produrrebbe lo stato iniziale corretto solo il 93,6% delle volte (il 98,9% moltiplicato per se stesso sei volte), circa dieci volte peggiore dell'errore misurato nell'esperimento. Questo miglioramento è dovuto al fatto che nell'esperimento i pezzi imperfetti lavorano insieme per ridurre al minimo la possibilità che gli errori quantistici si aggreghino e rovinino il risultato, simili a lavoratori vigili che si raccolgono gli errori l'uno dell'altro.

I risultati sono stati ottenuti utilizzando il sistema di trappola ionica di Monroe presso UMD, che utilizza fino a 32 singoli atomi carichi, ioni, che vengono raffreddati con laser e sospesi su elettrodi su un chip. Quindi usano ogni ione come qubit manipolandolo con i laser.

"Abbiamo 32 raggi laser, " dice Monroe. "E gli atomi sono come anatre in fila; ciascuno con il proprio raggio laser completamente controllabile. Penso che gli atomi formino una corda lineare e la pizzichiamo come una corda di una chitarra. Lo stiamo cogliendo con dei laser che accendiamo e spegniamo in modo programmabile. E questo è il computer; questa è la nostra unità di elaborazione centrale."

Creando con successo un qubit logico a tolleranza d'errore con questo sistema, i ricercatori hanno dimostrato che attenti, i progetti creativi hanno il potenziale per liberare l'informatica quantistica dal vincolo degli inevitabili errori dell'attuale stato dell'arte. I qubit logici a tolleranza d'errore sono un modo per aggirare gli errori nei qubit moderni e potrebbero essere la base di computer quantistici affidabili e sufficientemente grandi per usi pratici.

Correggere gli errori e tollerare i guasti

Lo sviluppo di qubit tolleranti ai guasti in grado di correggere gli errori è importante perché la legge di Murphy è implacabile:non importa quanto bene costruisci una macchina, qualcosa alla fine va storto. In un computer, qualsiasi bit o qubit ha qualche possibilità di fallire occasionalmente nel suo lavoro. E i molti qubit coinvolti in un pratico computer quantistico significano che ci sono molte opportunità per gli errori di insinuarsi.

Fortunatamente, gli ingegneri possono progettare un computer in modo che i suoi pezzi lavorino insieme per rilevare errori, come mantenere le informazioni importanti su un disco rigido aggiuntivo o far leggere a una seconda persona la tua email importante per rilevare errori di battitura prima di inviarla. Sia le persone che le pulsioni devono sbagliare perché un errore sopravviva. Anche se ci vuole più lavoro per completare l'attività, la ridondanza contribuisce a garantire la qualità finale.

Alcune tecnologie prevalenti, come telefoni cellulari e modem ad alta velocità, attualmente utilizzano la correzione degli errori per garantire la qualità delle trasmissioni ed evitare altri inconvenienti. La correzione degli errori mediante la semplice ridondanza può ridurre la possibilità di un errore non rilevato a condizione che la procedura non sia sbagliata più spesso di quanto non sia corretta, ad esempio inviare o archiviare i dati in triplice copia e fidarsi del voto della maggioranza può far scendere la possibilità di errore da uno su cento a meno di uno su mille.

Quindi, mentre la perfezione potrebbe non essere mai a portata di mano, la correzione degli errori può rendere le prestazioni di un computer buone quanto richiesto, fintanto che puoi permetterti il ​​prezzo dell'utilizzo di risorse extra. I ricercatori prevedono di utilizzare la correzione degli errori quantistici per integrare in modo simile i loro sforzi per creare qubit migliori e consentire loro di costruire computer quantistici senza dover superare tutti gli errori di cui soffrono i dispositivi quantistici.

"La cosa sorprendente della tolleranza agli errori, è una ricetta per prendere piccole parti inaffidabili e trasformarle in un dispositivo molto affidabile, "dice Kenneth Brown, un professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke e coautore del documento. "E la correzione degli errori quantistici tollerante ai guasti ci consentirà di realizzare computer quantistici molto affidabili da parti quantistiche difettose".

Ma la correzione degli errori quantistici presenta sfide uniche:i qubit sono più complessi dei bit tradizionali e possono sbagliare in più modi. Non puoi semplicemente copiare un qubit, o anche semplicemente controllarne il valore nel bel mezzo di un calcolo. L'intera ragione per cui i qubit sono vantaggiosi è che possono esistere in una sovrapposizione quantistica di più stati e possono diventare quantisticamente intrecciati l'uno con l'altro. Per copiare un qubit devi sapere esattamente quali informazioni sta attualmente memorizzando:in termini fisici devi misurarle. E una misurazione lo mette in un singolo stato quantico ben definito, distruggendo qualsiasi sovrapposizione o entanglement su cui si basa il calcolo quantistico.

Quindi, per la correzione dell'errore quantistico, devi correggere gli errori in bit che non ti è permesso copiare o anche guardare troppo da vicino. È come correggere le bozze con gli occhi bendati. A metà degli anni '90, i ricercatori hanno iniziato a proporre modi per farlo usando le sottigliezze della meccanica quantistica, ma i computer quantistici stanno appena raggiungendo il punto in cui possono mettere alla prova le teorie.

L'idea chiave è quella di creare un qubit logico da qubit fisici ridondanti in un modo che possa verificare se i qubit concordano su determinati fatti di meccanica quantistica senza mai conoscere lo stato di nessuno di essi individualmente.

Non posso migliorare sull'atomo

Ci sono molti codici di correzione degli errori quantistici proposti tra cui scegliere, e alcuni sono più naturali per un approccio particolare alla creazione di un computer quantistico. Ogni modo di realizzare un computer quantistico ha i suoi tipi di errori e punti di forza unici. Quindi costruire un pratico computer quantistico richiede la comprensione e l'utilizzo degli errori e dei vantaggi particolari che il tuo approccio porta sul tavolo.

Il computer quantistico basato sulla trappola ionica con cui lavorano Monroe e colleghi ha il vantaggio che i loro qubit individuali sono identici e molto stabili. Poiché i qubit sono ioni caricati elettricamente, ogni qubit può comunicare con tutti gli altri della linea tramite spinte elettriche, dando libertà rispetto a sistemi che necessitano di un solido collegamento con i vicini immediati.

"Sono atomi di un particolare elemento e isotopo, quindi sono perfettamente replicabili, " dice Monroe. "E quando conservi coerenza nei qubit e li lasci stare, esiste essenzialmente per sempre. Quindi il qubit quando lasciato solo è perfetto. Per utilizzare quel qubit, dobbiamo colpirlo con i laser, dobbiamo farci delle cose, dobbiamo trattenere l'atomo con elettrodi in una camera a vuoto, tutte quelle cose tecniche hanno rumore su di loro, e possono influenzare il qubit."

Per il sistema di Monroe, la più grande fonte di errori sono le operazioni di entanglement:la creazione di collegamenti quantistici tra due qubit con impulsi laser. Le operazioni di entanglement sono parti necessarie del funzionamento di un computer quantistico e della combinazione di qubit in qubit logici. Quindi, mentre il team non può sperare di fare in modo che i propri qubit logici memorizzino le informazioni in modo più stabile rispetto ai singoli qubit ionici, correggere gli errori che si verificano quando si impigliano i qubit è un miglioramento fondamentale.

I ricercatori hanno selezionato il codice Bacon-Shor come una buona corrispondenza per i vantaggi e le debolezze del loro sistema. Per questo progetto, avevano solo bisogno di 15 dei 32 ioni che il loro sistema può supportare, e due degli ioni non sono stati usati come qubit ma erano necessari solo per ottenere una spaziatura uniforme tra gli altri ioni. Per il codice, hanno usato nove qubit per codificare in modo ridondante un singolo qubit logico e quattro qubit aggiuntivi per individuare le posizioni in cui si sono verificati potenziali errori. Con quelle informazioni, i qubit difettosi rilevati possono, in teoria, essere corretto senza che la "quantità" dei qubit venga compromessa misurando lo stato di ogni singolo qubit.

"La parte fondamentale della correzione degli errori quantistici è la ridondanza, ecco perché avevamo bisogno di nove qubit per ottenere un qubit logico, " dice lo studente laureato JQI Laird Egan, chi è il primo autore del saggio. "Ma quella ridondanza ci aiuta a cercare gli errori e a correggerli, perché un errore su un singolo qubit può essere protetto dagli altri otto."

Il team ha utilizzato con successo il codice Bacon-Shor con il sistema di trappola ionica. Il qubit logico risultante ha richiesto sei operazioni di entanglement, ciascuna con un tasso di errore previsto compreso tra lo 0,7% e l'1,5%. Ma grazie all'attenta progettazione del codice, questi errori non si combinano in un tasso di errore ancora più elevato quando le operazioni di entanglement sono state utilizzate per preparare il qubit logico nel suo stato iniziale.

Il team ha osservato un errore nella preparazione e nella misurazione del qubit solo lo 0,6% delle volte, meno dell'errore minimo previsto per qualsiasi singola operazione di entanglement. Il team è stato quindi in grado di spostare il qubit logico in un secondo stato con un errore di appena lo 0,3%. Il team ha anche introdotto intenzionalmente errori e ha dimostrato di poterli rilevare.

"Questa è davvero una dimostrazione della correzione degli errori quantistici che migliora per la prima volta le prestazioni dei componenti sottostanti, " dice Egan. "E non c'è motivo per cui altre piattaforme non possano fare la stessa cosa mentre si scalano. È davvero una prova del concetto che la correzione degli errori quantistici funziona".

Mentre il team continua questa linea di lavoro, dicono che sperano di ottenere un successo simile nella costruzione di porte logiche quantistiche ancora più impegnative dai loro qubit, eseguire cicli completi di correzione degli errori in cui gli errori rilevati vengono corretti attivamente, e intrecciando più qubit logici insieme.

"Fino a questo documento, tutti si sono concentrati sulla creazione di un qubit logico, " dice Egan. "E ora che ne abbiamo fatta una, erano come, 'I singoli qubit logici funzionano, quindi cosa puoi fare con due?'"

Oltre a Monroe, Brown ed Egan, gli altri coautori del paper sono i seguenti:ricercatore JQI Marko Cetina; Studenti laureati JQI Andrew Risinger, Daiwei Zhu e Debopriyo Biswas; Dripto M. Debroy, studente laureato in fisica della Duke University; i ricercatori post-dottorato della Duke University Crystal Noel e Michael Newman; e lo studente laureato del Georgia Institute of Technology Muyuan Li.