Sandia y Quantinuum caracterizan por completo el conjunto de puertas de un qubit lógico con «GST lógica»

Investigadores de Sandia National Laboratories y Quantinuum han adaptado una de las herramientas más exhaustivas para diagnosticar errores de qubits, la tomografía de conjuntos de puertas (gate set tomography, GST), para que funcione con qubits lógicos con corrección de errores y no solo con qubits físicos. En un preprint titulado Logical gate set tomography, el equipo de 14 autores presenta lo que describe como la primera caracterización completa y autoconsistente de un conjunto universal de puertas lógicas de un solo qubit, ejecutada en el procesador de iones atrapados de 20 qubits System Model H1 de Quantinuum.

Qué se anunció

El método, abreviado como «GST lógica», busca responder a una pregunta que las simples tasas de error no resuelven: una vez que la corrección cuántica de errores ha hecho su trabajo, ¿qué tipo de ruido queda? Según el artículo, la GST lógica construye modelos detallados de las operaciones lógicas ruidosas. A partir de ellos se pueden derivar cifras como la fidelidad de puerta y la distancia diamante, y comprobar la presencia de errores coherentes y de efectos no markovianos, en los que el ruido depende de lo ocurrido antes en el cálculo.

Tal como lo describe Quantum Computing Report, el experimento fue la última campaña ejecutada en la máquina H1-1. El qubit lógico se codificó en el código Steane de siete qubits y el equipo aplicó corrección activa de errores con retroalimentación en tiempo real, enviando pulsos de corrección físicos a los iones en lugar de registrar las correcciones por software. El conjunto caracterizado incluyó la preparación de estado lógico, la medición, las puertas de Clifford H y S, un ciclo de espera y corrección de errores, y una puerta T no Clifford obtenida mediante inyección de estados mágicos y teleportación.

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Los detalles técnicos

El artículo indica que los datos del hardware mostraron sobre todo errores lógicos de tipo Pauli estocástico (inversiones aleatorias de bit y de fase), ninguna evidencia de no markovianidad lógica y solo indicios débiles de error lógico coherente. QCR informa infidelidades de entrelazamiento estimadas de entre aproximadamente 0,2 % y 1,7 % para las puertas lógicas, con barras de error amplias, porque solo se tomaron 50 disparos por circuito.

Para analizarlo con más detalle, los autores ejecutaron el mismo protocolo con muchos más disparos en el emulador detallado del sistema de Quantinuum. Allí, según el resumen, la GST lógica detectó una no markovianidad débil pero estadísticamente significativa y evidencia sólida de error lógico coherente. Activando y desactivando fuentes de error concretas en el emulador, el equipo rastreó cómo determinados errores físicos dan forma a los lógicos. QCR informa que el desfase durante el transporte y el enfriamiento de los iones fue el principal origen de la deriva lógica coherente, y que el comportamiento no markoviano puede surgir de los propios ciclos de extracción de síndromes aunque el ruido físico sea markoviano.

Por qué importa

Los teoremas de umbral y los decodificadores suelen suponer que la corrección de errores convierte un ruido físico complejo en errores de Pauli simples e independientes. La GST lógica ofrece a los equipos de hardware una forma de comprobar esa hipótesis directamente sobre qubits codificados, en vez de inferirla. Los resultados de H1 respaldaron en líneas generales la imagen de un ruido simple, mientras que los del emulador muestran el tipo de errores sutiles y estructurados que podrían cobrar importancia a medida que crezcan las máquinas.

Qué seguir

El trabajo es un preprint y aún no ha pasado revisión por pares. Las preguntas abiertas son si el método escala a conjuntos de puertas lógicas multiqubit y a códigos más grandes, y si los grupos de hardware lo adoptarán de forma rutinaria en sistemas más nuevos como Helios de Quantinuum.