Un chip contenente una trappola ionica che i ricercatori usano per catturare e controllare i qubit di ioni atomici (bit quantistici). Credito: Kai Hudek/JQI
Gli esperimenti con computer quantistici all'UMD mostrano che combinare pezzi di computer quantistici non deve significare combinare i loro tassi di errore.
Pobody's nerfect, nemmeno i bit indifferenti e calcolatori che sono alla base dei computer. Ma il gruppo di JQI Fellow Christopher Monroe, insieme ai colleghi della Duke University, ha 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'assemblea di calcolo quantistico i pezzi possono essere migliori delle parti peggiori utilizzate per realizzarlo. In un articolo pubblicato sulla rivista Natura oggi (4 ottobre 2021), il team ha condiviso come ha compiuto questo passo fondamentale verso computer quantistici affidabili e 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 possano essere facilmente rilevati 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 di per sé", afferma Monroe, che è anche membro del Joint Center for Quantum Information and Computer Science e professore di College Park presso il Dipartimento di Fisica dell'Università del Maryland. “Tuttavia, a 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. Il bello 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".
La scatola che contiene il computer quantistico a trappola ionica nel laboratorio di Christopher Monroe. Credito:
Marko Cetina/JQI
Questa è la prima volta che un qubit logico si è dimostrato più affidabile del passaggio più soggetto a errori necessario 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 basasse su sei operazioni quantistiche che individualmente dovrebbero funzionare solo per il 98.9% circa 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 operatori della catena di montaggio, ciascuno concentrato su un compito, la catena di montaggio produrrebbe lo stato iniziale corretto solo il 93.6% delle volte (98.9% moltiplicato per se stesso sei volte), circa dieci volte peggio dell'errore misurato in l'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, in modo simile ai lavoratori attenti che catturano gli errori l'uno dell'altro.
I risultati sono stati ottenuti utilizzando il sistema a trappola ionica di Monroe presso l'UMD, che utilizza fino a 32 singoli atomi caricati, ioni, che vengono raffreddati con laser e sospesi su elettrodi su un chip. Quindi usano ogni ione come un qubit manipolandolo con i laser.
"Abbiamo 32 raggi laser", afferma 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 chitarra. Lo stiamo pizzicando 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 tollerante ai guasti con questo sistema, i ricercatori hanno dimostrato che progetti creativi e attenti hanno il potenziale per liberare il calcolo quantistico dal vincolo degli inevitabili errori dell'attuale stato dell'arte. I qubit logici tolleranti agli errori sono un modo per aggirare gli errori nei qubit moderni e potrebbero essere la base dei computer quantistici che sono allo stesso tempo affidabili e sufficientemente grandi per usi pratici.
Correzione degli errori e tolleranza dei guasti
Lo sviluppo di qubit tolleranti agli errori in grado di correggere gli errori è importante perché la legge di Murphy è implacabile: non importa quanto bene si costruisca 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 che si insinuano.
Fortunatamente, gli ingegneri possono progettare un computer in modo che i suoi componenti funzionino insieme per rilevare gli errori, ad esempio il backup di informazioni importanti su un disco rigido aggiuntivo o la lettura di un'e-mail importante da parte di una seconda persona per rilevare errori di battitura prima di inviarla. Sia le persone che le unità devono fare un pasticcio per sopravvivere a un errore. Sebbene sia necessario più lavoro per completare l'attività, la ridondanza aiuta a garantire la qualità finale.
Alcune tecnologie prevalenti, come telefoni cellulari e modem ad alta velocità, utilizzano attualmente la correzione degli errori per garantire la qualità delle trasmissioni ed evitare altri inconvenienti. La correzione degli errori utilizzando la ridondanza semplice può ridurre la possibilità di un errore non rilevato purché la procedura non sia sbagliata più spesso di quanto sia giusta, ad esempio, inviare o archiviare dati in triplicato e fidarsi del voto di maggioranza può far cadere la possibilità di un errore da uno su cento a meno di uno su mille.
Quindi, mentre la perfezione potrebbe non essere mai raggiungibile, la correzione degli errori può rendere le prestazioni di un computer buone quanto richieste, a patto che tu possa permetterti il prezzo dell'utilizzo di risorse extra. I ricercatori intendono 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 ai guasti è che è una ricetta su come prendere piccole parti inaffidabili e trasformarle in un dispositivo molto affidabile", afferma Kenneth Brown, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke e coautore dell'articolo. "E la correzione degli errori quantistici tollerante ai guasti ci consentirà di realizzare computer quantistici molto affidabili da parti quantistiche difettose".
Ma la correzione dell'errore quantistico presenta sfide uniche: i qubit sono più complessi dei bit tradizionali e possono andare storto in molti modi. Non puoi semplicemente copiare un qubit, o anche semplicemente controllarne il valore nel 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 meccanicamente quantisticamente intrecciati l'uno con l'altro. Per copiare un qubit devi sapere esattamente quali informazioni sta attualmente archiviando, in termini fisici devi misurarlo. E una misurazione lo mette in un unico stato quantistico 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 '1990, i ricercatori hanno iniziato a proporre modi per farlo utilizzando 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 della meccanica quantistica senza mai conoscere lo stato di nessuno di essi individualmente.
Impossibile migliorare l'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 creare un computer quantistico ha i suoi tipi di errori e punti di forza unici. Quindi la costruzione di un pratico computer quantistico richiede la comprensione e il lavoro con i particolari errori e vantaggi che il tuo approccio porta sul tavolo.
Il computer quantistico basato su trappola ionica con cui Monroe e colleghi lavorano ha il vantaggio che i loro singoli qubit 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 ai sistemi che necessitano di una solida connessione con i vicini immediati.
"Sono atomi di un particolare elemento e isotopo, quindi sono perfettamente replicabili", afferma Monroe. “E quando memorizzi la coerenza nei qubit e li lasci in pace, esiste essenzialmente per sempre. Quindi il qubit lasciato solo è perfetto. Per utilizzare quel qubit, dobbiamo colpirlo con i laser, dobbiamo fare delle cose, dobbiamo aggrapparci al atomo con gli elettrodi in una camera a vuoto, tutte quelle cose tecniche hanno rumore 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 entangling 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 loro qubit logici memorizzino le informazioni in modo più stabile rispetto ai singoli qubit ionici, correggere gli errori che si verificano quando si aggrovigliano i qubit è un miglioramento fondamentale.
I ricercatori hanno selezionato il codice Bacon-Shor come una buona corrispondenza per i vantaggi e i punti deboli 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 utilizzato 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 queste informazioni, i qubit difettosi rilevati possono, in teoria, essere corretti senza che la "quantità" dei qubit venga compromessa misurando lo stato di ogni singolo qubit.
"La parte fondamentale della correzione dell'errore quantistico è la ridondanza, motivo per cui avevamo bisogno di nove qubit per ottenere un qubit logico", afferma lo studente laureato JQI Laird Egan, che è il primo autore del documento. "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 a trappola ionica. Il qubit logico risultante ha richiesto sei operazioni di entanglement, ciascuna con un tasso di errore previsto compreso tra 0.7% e 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 misurazione del qubit solo lo 0.6% delle volte, inferiore all'errore più basso previsto per una qualsiasi delle singole operazioni 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 dell'errore quantistico che migliora per la prima volta le prestazioni dei componenti sottostanti", afferma Egan. “E non c'è motivo per cui altre piattaforme non possano fare la stessa cosa mentre si espandono. È davvero una prova del concetto che la correzione dell'errore quantistico funziona".
Mentre il team continua questa linea di lavoro, afferma di sperare di ottenere un successo simile nella costruzione di porte logiche quantistiche ancora più impegnative dai loro qubit, eseguendo cicli completi di correzione degli errori in cui gli errori rilevati vengono attivamente corretti e intrecciando più qubit logici insieme .
"Fino a questo articolo, tutti si sono concentrati sulla creazione di un qubit logico", afferma Egan. "E ora che ne abbiamo creato uno, siamo tipo, 'I qubit logici singoli funzionano, quindi cosa puoi fare con due?'"
Riferimento: "Controllo tollerante ai guasti di un qubit con correzione di errori" di Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina e Christopher Monroe, 4 ottobre 2021, Natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y
