Panoramica di un computer quantistico ad atomi neutri tollerante ai guasti che utilizza la conversione di cancellazione. un Schema di un computer quantistico ad atomi neutri, con un piano di atomi sotto un obiettivo del microscopio utilizzato per visualizzare la fluorescenza e proiettare campi di intrappolamento e controllo. b I qubit fisici sono 171 individuali Yb atomi. Gli stati dei qubit sono codificati nei 6s metastabili 6p 3 P0 F = 1/2 livello (sottospazio Q) e le porte a due qubit vengono eseguite tramite lo stato di Rydberg |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle, a cui si accede tramite una transizione a fotone singolo (λ = 302 nm) con frequenza Rabi Ω. Gli errori dominanti durante le porte sono decadimenti da |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle con un tasso totale Γ = ΓB + ΓR + ΓD . Solo una piccola frazione ΓQ /Γ ≈ 0,05 ritorna al sottospazio dei qubit, mentre i restanti decadimenti sono transizioni di corpo nero (BBR) verso stati di Rydberg vicini (ΓB /Γ ≈ 0.61) o decadimento radiativo allo stato fondamentale 6s 2 1 S 0 (ΓR /Γ ≈ 0,34). Alla fine di un gate, questi eventi possono essere rilevati e convertiti in errori di cancellazione rilevando la fluorescenza dagli atomi dello stato fondamentale (sottospazio R) o ionizzando qualsiasi popolazione di Rydberg rimanente tramite l'autoionizzazione e raccogliendo la fluorescenza su Yb + transizione (sottospazio B). c Una patch del codice di superficie XZZX studiato in questo lavoro, che mostra qubit di dati (cerchi aperti), qubit ancilla (cerchi pieni) e operazioni di stabilizzazione, eseguite nell'ordine indicato dalle frecce. d Circuito quantistico che rappresenta una misura di uno stabilizzatore su qubit di dati D 1 − D 4 utilizzando ancilla A 1 con passaggi di conversione di cancellazione interfogliati. Il rilevamento della cancellazione viene applicato dopo ogni gate e gli atomi cancellati vengono sostituiti da un serbatoio secondo necessità utilizzando una pinzetta ottica mobile. È strettamente necessario sostituire solo l'atomo che è stato rilevato per aver lasciato il sottospazio, ma la sostituzione di entrambi protegge dalla possibilità di perdite non rilevate sul secondo atomo. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32094-6
I ricercatori hanno scoperto un nuovo metodo per correggere gli errori nei calcoli dei computer quantistici, eliminando potenzialmente un grosso ostacolo a un nuovo potente regno dell'informatica.
Nei computer convenzionali, la correzione degli errori è un campo ben sviluppato. Ogni cellulare richiede controlli e correzioni per inviare e ricevere dati su onde radio disordinate. I computer quantistici offrono un enorme potenziale per risolvere alcuni problemi complessi che sono impossibili per i computer convenzionali, ma questo potere dipende dall'imbrigliare comportamenti estremamente fugaci delle particelle subatomiche. Questi comportamenti informatici sono così effimeri che anche esaminarli per verificare la presenza di errori può causare il collasso dell'intero sistema.
In un articolo che delinea una nuova teoria per la correzione degli errori, pubblicato il 9 agosto su Nature Communications , un team interdisciplinare guidato da Jeff Thompson, professore associato di ingegneria elettrica e informatica a Princeton, e dai collaboratori Yue Wu e Shruti Puri presso l'Università di Yale e Shimon Kolkowitz presso l'Università del Wisconsin-Madison, hanno dimostrato di poter migliorare notevolmente le prestazioni di un computer quantistico tolleranza per gli errori e ridurre la quantità di informazioni ridondanti necessarie per isolare e correggere gli errori. La nuova tecnica aumenta di quattro volte il tasso di errore accettabile, dall'1% al 4%, cosa pratica per i computer quantistici attualmente in fase di sviluppo.
"La sfida fondamentale per i computer quantistici è che le operazioni che vuoi eseguire sono rumorose", ha affermato Thompson, il che significa che i calcoli sono soggetti a una miriade di modalità di errore.
In un computer convenzionale, un errore può essere semplice come un po' di memoria che passa accidentalmente da 1 a 0, o disordinato come un router wireless che interferisce con un altro. Un approccio comune per la gestione di tali errori consiste nel creare una certa ridondanza, in modo che ogni dato venga confrontato con copie duplicate. Tuttavia, tale approccio aumenta la quantità di dati necessari e crea maggiori possibilità di errori. Pertanto, funziona solo quando la stragrande maggioranza delle informazioni è già corretta. In caso contrario, il controllo di dati errati rispetto a dati errati porta più in profondità in un pozzo di errori.
"Se il tasso di errore di base è troppo alto, la ridondanza è una cattiva strategia", ha affermato Thompson. "Scendere al di sotto di tale soglia è la sfida principale."
Piuttosto che concentrarsi esclusivamente sulla riduzione del numero di errori, il team di Thompson ha sostanzialmente reso gli errori più visibili. Il team ha approfondito le effettive cause fisiche dell'errore e ha progettato il proprio sistema in modo che la fonte di errore più comune elimini efficacemente, anziché semplicemente corrompere, i dati danneggiati. Thompson ha affermato che questo comportamento rappresenta un particolare tipo di errore noto come "errore di cancellazione", che è fondamentalmente più facile da eliminare rispetto ai dati che sono corrotti ma assomigliano comunque a tutti gli altri dati.
In un computer convenzionale, se un pacchetto di informazioni presumibilmente ridondanti si presenta come 11001, potrebbe essere rischioso presumere che gli 1 leggermente più diffusi siano corretti e gli 0 errati. Ma se l'informazione si presenta come 11XX1, dove i bit corrotti sono evidenti, il caso è più convincente.
"Questi errori di cancellazione sono molto più facili da correggere perché sai dove si trovano", ha detto Thompson. "Possono essere esclusi dal voto di maggioranza. Questo è un enorme vantaggio".
Gli errori di cancellazione sono ben compresi nell'informatica convenzionale, ma i ricercatori non avevano in precedenza considerato di provare a progettare computer quantistici per convertire gli errori in cancellazioni, ha affermato Thompson.
In pratica, il loro sistema proposto potrebbe resistere a un tasso di errore del 4,1%, che secondo Thompson rientra ampiamente nel regno delle possibilità per gli attuali computer quantistici. Nei sistemi precedenti, la correzione degli errori all'avanguardia poteva gestire meno dell'1% di errore, che secondo Thompson è al limite della capacità di qualsiasi sistema quantistico attuale con un numero elevato di qubit.
La capacità del team di generare errori di cancellazione si è rivelata un vantaggio inaspettato da una scelta fatta da Thompson anni fa. La sua ricerca esplora i "qubit di atomi neutri", in cui le informazioni quantistiche (un "qubit") sono memorizzate in un singolo atomo. Hanno aperto la strada all'uso dell'elemento itterbio per questo scopo. Thompson ha detto che il gruppo ha scelto l'itterbio in parte perché ha due elettroni nel suo strato di elettroni più esterno, rispetto alla maggior parte degli altri qubit di atomi neutri, che ne hanno solo uno.
"Lo considero un coltellino svizzero, e questo itterbio è il coltellino svizzero più grande e più grasso", ha detto Thompson. "Quella piccola complessità in più che ottieni dall'avere due elettroni ti offre molti strumenti unici."
Un uso di quegli strumenti extra si è rivelato utile per eliminare gli errori. Il team ha proposto di pompare gli elettroni nell'itterbio e dal loro "stato fondamentale" stabile a stati eccitati chiamati "stati metastabili", che possono essere longevi nelle giuste condizioni ma sono intrinsecamente fragili. Controintuitivamente, i ricercatori propongono di utilizzare questi stati per codificare le informazioni quantistiche.
"È come se gli elettroni fossero sul filo del rasoio", ha detto Thompson. E il sistema è progettato in modo che gli stessi fattori che causano l'errore causino anche la caduta degli elettroni dal filo del rasoio.
Come bonus, una volta che cadono allo stato fondamentale, gli elettroni diffondono la luce in modo molto visibile, quindi illuminare una raccolta di qubit di itterbio fa accendere solo quelli difettosi. Quelli che si accendono dovrebbero essere cancellati come errori.
Questo progresso ha richiesto la combinazione di conoscenze sia sull'hardware di calcolo quantistico che sulla teoria della correzione degli errori quantistici, sfruttando la natura interdisciplinare del team di ricerca e la loro stretta collaborazione. Sebbene i meccanismi di questa configurazione siano specifici degli atomi di itterbio di Thompson, ha affermato che l'idea di progettare qubit quantistici per generare errori di cancellazione potrebbe essere un obiettivo utile in altri sistemi, di cui ce ne sono molti in fase di sviluppo in tutto il mondo, ed è qualcosa che il il gruppo sta continuando a lavorare.
"Riteniamo che questo progetto disponga di un tipo di architettura che potrebbe essere applicata in molti modi diversi", ha affermato Thompson, aggiungendo che altri gruppi hanno già iniziato a progettare i propri sistemi per convertire gli errori in cancellazioni. "Stiamo già vedendo molte cose interessanti nel trovare adattamenti per questo lavoro."
Come passaggio successivo, il gruppo di Thompson sta ora lavorando per dimostrare la conversione degli errori in cancellazioni in un piccolo computer quantistico funzionante che combina diverse decine di qubit.
Il documento, "Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays", è stato pubblicato il 9 agosto su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
