Chirurgia dei qubit

I computer quantistici hanno un grande potenziale per applicazioni entusiasmanti in futuro, ma presentano ancora una serie di sfide e rompicapi per ricercatori e ingegneri. Una di queste riguarda la decoerenza e gli errori che ne derivano: bit flips e phase flips. Tali errori significano che l'unità logica di un computer quantistico, il qubit, può improvvisamente e imprevedibilmente cambiare il suo stato da "0" a "1" o che la fase relativa di uno stato di sovrapposizione può saltare da positiva a negativa.

Questi errori possono essere tenuti sotto controllo costruendo un qubit logico a partire da molti qubit fisici e applicando costantemente protocolli di correzione degli errori. Questo approccio garantisce che l'informazione quantistica sia conservata in modo relativamente sicuro nel tempo. A un certo punto, però, diventa necessario interrompere questa modalità di memorizzazione e fare qualcosa di utile con il qubit, come ad esempio applicare un gate quantistico, un elemento fondamentale degli algoritmi quantistici.

I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI, del Politecnico di Zurigo, dell'Università RWTH di Aquisgrana e del Forschungszentrum Jülich hanno dimostrato come sia possibile eseguire un'operazione quantistica tra qubit logici superconduttori correggendo gli errori che si verificano contemporaneamente. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati su Nature Physics.

La correzione degli errori quantistici è fondamentalmente diversa dalla correzione degli errori classici. In quest'ultima, è possibile creare diverse copie identiche di un bit e leggerle dopo un certo tempo: se si è verificato un bit flip, una decisione a maggioranza indica quale bit ha probabilmente subito un errore di bit flip e il valore originale può essere ripristinato. "Con i qubit, tutto è molto più complicato", afferma Ilya Besedin, ricercatore post-dottorato e co-autore dello studio insieme al dottorando Michael Kerschbaum. Una complicazione è data dal fatto che l'informazione quantistica non può essere semplicemente copiata o "clonata"; è invece necessario creare stati entangled di diversi qubit. Ciò è reso ancora più difficile dal fatto che gli errori di sfasamento, che non esistono nell'elaborazione classica dei dati, devono essere corretti.

Correzione degli errori con codici di superficie

Un modo per correggere gli errori di bit e di sfasamento è quello di utilizzare i cosiddetti codici di superficie. Lo stato di un qubit è memorizzato in diversi qubit di dati fisici. L'errore viene corretto misurando ripetutamente gli stati quantici dei cosiddetti stabilizzatori, che insieme ai qubit di dati formano il qubit logico. Gli stabilizzatori vengono misurati con qubit aggiuntivi collegati ai qubit di dati in modo tale che la loro lettura riveli qualsiasi cambiamento - nel valore del bit (stabilizzatore Z) o nella fase (stabilizzatore X) - tra le misurazioni e consenta quindi la loro correzione. I qubit di dati non vengono letti, ma memorizzano lo stato del qubit corretto dagli errori.

La situazione cambia se si vuole eseguire un'operazione quantistica logica, come un gate NON controllato, noto anche come gate CNOT, tra due qubit logici. È necessario assicurarsi che anche gli eventuali errori che si verificano durante l'operazione vengano corretti. "Una simile operazione logica tollerante agli errori sarebbe relativamente semplice se potessimo spostare i nostri qubit e collegarli tra loro a piacimento", spiega Kerschbaum. Tuttavia, nelle disposizioni bidimensionali di qubit superconduttori, i qubit sono spazialmente fissi e solo i qubit spazialmente vicini sono collegati tra loro e possono interagire.

La "chirurgia dei reticoli" come soluzione

La "chirurgia reticolare" è un metodo che può essere utilizzato per creare qubit superconduttori: la chirurgia dei reticoli è un metodo per superare questa limitazione", spiega Kerschbaum. Nel loro esperimento, Kerschbaum e i suoi colleghi hanno dapprima effettuato la correzione degli errori su un singolo qubit logico, composto da diciassette qubit fisici. I qubit di dati e gli stabilizzatori erano disposti in una forma approssimativamente quadrata. Per diversi cicli, i ricercatori hanno letto gli stabilizzatori ogni 1,66 microsecondi, correggendo così gli errori di bit flip e phase flip.

Poi è arrivato il momento della "chirurgia": sono stati letti tre qubit di dati lungo il centro del quadrato, dividendo di fatto a metà il quadrato del codice di superficie. Inoltre, la lettura degli stabilizzatori X è stata interrotta. "Il risultato di questa operazione è stato l'interleaving di due qubit logici", spiega Besedin. Gli errori di bit flip sono stati corretti durante la "chirurgia del reticolo", dopodiché la correzione degli errori di bit flip è potuta continuare in entrambe le metà.

Questa operazione non è ancora un gate CNOT, ma può essere espansa in un gate CNOT attraverso una serie di scissioni e fusioni di questo tipo.

"Si potrebbe dire che la chirurgia reticolare è l'operazione di base e tutte le altre possono essere costruite a partire da essa", afferma Besedin. "A nostra conoscenza, la chirurgia reticolare è stata eseguita per la prima volta su qubit superconduttori", aggiunge, "ma c'è ancora del lavoro da fare".

Per esempio, sarebbero necessari 41 qubit fisici per rendere stabile l'operazione di divisione su un qubit logico anche contro gli errori di fase. Tuttavia, questa dimostrazione di chirurgia reticolare su qubit superconduttori segna un passo importante verso l'ambizioso obiettivo di costruire computer quantistici utili con migliaia di qubit.