I computer quantistici hanno il potenziale per superare i computer convenzionali in alcuni compiti, inclusi problemi complessi di ottimizzazione. Tuttavia, i computer quantistici sono anche vulnerabili al rumore, che può portare a errori di calcolo.
Gli ingegneri hanno cercato di ideare approcci di calcolo quantistico tolleranti ai guasti che potrebbero essere più resistenti al rumore e potrebbero quindi essere implementati in modo più robusto. Un approccio comune per ottenere la tolleranza agli errori è la preparazione di stati magici, che introducono le cosiddette porte non Clifford.
I ricercatori dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, dell’Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography e dell’Hefei National Laboratory hanno recentemente dimostrato la preparazione di uno stato magico logico con fedeltà oltre la soglia di distillazione su un processore quantistico superconduttore. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , delinea una strategia praticabile ed efficace per generare stati magici logici ad alta fedeltà, un approccio per realizzare un calcolo quantistico tollerante ai guasti.
"Abbiamo un piano a lungo termine nel campo della correzione degli errori quantistici", ha detto a Phys.org il prof. Xiao-Bo Zhu, coautore dell'articolo. "Dopo il completamento del nostro precedente lavoro su un codice di superficie a distanza 3 per la correzione di errori ripetuti, riteniamo che il prossimo obiettivo sarà la preparazione di stati logici magici."
L’obiettivo finale della recente ricerca del Prof. Zhu e dei suoi colleghi è realizzare un calcolo quantistico universale, robusto e tollerante ai guasti. La preparazione degli stati magici logici è un passo fondamentale per implementare porte logiche non Clifford, che a loro volta portano al raggiungimento del calcolo quantistico tollerante ai guasti.
"In termini semplici, l'idea di base del nostro protocollo è quella di iniettare prima lo stato da preparare in uno dei qubit nel codice di superficie, quindi 'propagare' le informazioni sullo stato all'intero codice di superficie, ottenendo così una preparazione logica dello stato ," ha spiegato il prof. Zhu. "In questo protocollo è importante la scelta della posizione di iniezione dello stato da preparare e degli stati di inizializzazione degli altri qubit."
Il protocollo proposto da questo team di ricercatori delinea una strategia semplice, sperimentalmente fattibile e scalabile per preparare stati magici grezzi ad alta fedeltà nei processori quantistici superconduttori. Nell'ambito del loro recente studio, il Prof. Zhu e i suoi colleghi hanno applicato questo protocollo su Zuchongzhi 2.1, un professore quantistico a 66 qubit con un design di accoppiamento sintonizzabile.
"Il design di questo processore ci consente di manipolare l'interazione tra due qubit adiacenti, garantendo che le nostre porte quantistiche siano sufficientemente fedeli nonostante un alto grado di parallelismo", ha affermato il Prof. Zhu. "Questo design favorisce anche l'espansione della scala dei qubit su un processore."
Quando i ricercatori hanno implementato il loro protocollo sul processore Zuchongzhi 2.1, hanno ottenuto risultati molto promettenti. Nello specifico, hanno preparato in modo non distruttivo tre stati magici logici con fedeltà logica rispettivamente di 0,8771±0,0009, 0,9090±0,0009 e 0,8890±0,0010, che sono superiori alla soglia del protocollo di distillazione dello stato, 0,859 (per lo stato magico di tipo H) e 0,827 (per lo stato magico di tipo T).
"Abbiamo raggiunto una pietra miliare fondamentale nello sviluppo del calcolo tollerante ai guasti basato sul codice di superficie, preparando con successo uno stato magico logico a distanza tre con una fedeltà che supera la soglia di distillazione", ha affermato il Prof. Zhu. "Questo risultato implica che possiamo inserire stati magici a bassa fedeltà nel circuito di distillazione dello stato magico, sottoporci a distillazioni multiple per ottenere stati magici sufficientemente ad alta fedeltà e successivamente impiegarli per costruire porte logiche non-Clifford tolleranti ai guasti."
In futuro, il protocollo sviluppato dal Prof. Zhu e dai suoi colleghi potrebbe essere utilizzato da altri gruppi di ricerca per realizzare stati magici logici grezzi ad alta fedeltà, utilizzando una gamma più ampia di processori quantistici superconduttori. In definitiva, potrebbe contribuire alla realizzazione di un robusto calcolo quantistico con tolleranza ai guasti, che potrebbe a sua volta consentire lo sviluppo di computer quantistici su larga scala.
"Nel campo della correzione degli errori quantistici, intendiamo continuare a esplorare due direzioni principali di ricerca", ha aggiunto il prof. Zhu. "In primo luogo, miriamo a migliorare le prestazioni di un qubit logico (o memoria quantistica con correzione degli errori) riducendo il tasso di errore di manipolazione fisica e aumentando il numero di qubit codificati, sopprimendo così il tasso di errore logico a livelli pratici. In secondo luogo, conduciamo ricerca sperimentale su operazioni logiche con correzione degli errori, come la chirurgia del reticolo, per l'applicazione nel futuro calcolo quantistico tollerante agli errori."
Ulteriori informazioni: Yangsen Ye et al, Preparazione dello stato logico magico con fedeltà oltre la soglia di distillazione su un processore quantistico superconduttore, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.210603
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