Sandia e Quantinuum caratterizzano completamente il set di porte di un qubit logico con la «GST logica»

Ricercatori dei Sandia National Laboratories e di Quantinuum hanno adattato uno degli strumenti più completi per diagnosticare gli errori dei qubit, la tomografia dei set di porte (gate set tomography, GST), in modo che funzioni su qubit logici con correzione degli errori anziché solo su qubit fisici. In un preprint intitolato Logical gate set tomography, il gruppo di 14 autori presenta quella che definisce la prima caratterizzazione completa e autoconsistente di un set universale di porte logiche a singolo qubit, eseguita sul processore a ioni intrappolati da 20 qubit System Model H1 di Quantinuum.

Che cosa è stato annunciato

Il metodo, abbreviato in «GST logica», vuole rispondere a una domanda che i semplici tassi d’errore lasciano aperta: dopo che la correzione quantistica degli errori ha fatto il suo lavoro, che tipo di rumore resta? Secondo l’articolo, la GST logica costruisce modelli dettagliati delle operazioni logiche rumorose. Da questi si possono ricavare grandezze come la fedeltà di porta e la distanza diamante, e verificare la presenza di errori coerenti e di effetti non markoviani, in cui il rumore dipende da ciò che è accaduto prima nel calcolo.

Come descrive Quantum Computing Report, l’esperimento è stato l’ultima campagna condotta sulla macchina H1-1. Il qubit logico era codificato nel codice di Steane a sette qubit e il gruppo ha applicato una correzione attiva degli errori con feedforward in tempo reale, inviando impulsi di correzione fisici agli ioni invece di tracciare le correzioni via software. Il set caratterizzato comprendeva la preparazione dello stato logico, la misura, le porte di Clifford H e S, un ciclo di attesa e correzione degli errori e una porta T non Clifford realizzata tramite iniezione di stati magici e teletrasporto.

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I dettagli tecnici

L’articolo riferisce che i dati hardware hanno mostrato soprattutto errori logici di tipo Pauli stocastico (inversioni casuali di bit e di fase), nessuna evidenza di non markovianità logica e solo deboli segnali di errore logico coerente. QCR riporta infedeltà di entanglement stimate tra circa lo 0,2% e l’1,7% per le porte logiche, con ampie barre d’errore, perché sono stati raccolti solo 50 shot per circuito.

Per un’analisi più fine, gli autori hanno eseguito lo stesso protocollo con molti più shot sull’emulatore dettagliato del sistema di Quantinuum. Lì, secondo l’abstract, la GST logica ha rilevato una non markovianità debole ma statisticamente significativa e forti prove di errore logico coerente. Attivando e disattivando singole sorgenti d’errore nell’emulatore, il gruppo ha ricostruito come specifici errori fisici diano forma a quelli logici. QCR riferisce che il defasamento durante il trasporto e il raffreddamento degli ioni è stato il principale responsabile della deriva logica coerente e che il comportamento non markoviano può emergere dagli stessi cicli di estrazione della sindrome anche quando il rumore fisico è markoviano.

Perché è importante

I teoremi di soglia e i decodificatori in genere presuppongono che la correzione degli errori trasformi un rumore fisico complesso in errori di Pauli semplici e indipendenti. La GST logica offre ai gruppi hardware un modo per verificare questa ipotesi direttamente sui qubit codificati, invece di dedurla. I risultati su H1 hanno sostanzialmente confermato il quadro di un rumore semplice, mentre quelli dell’emulatore mostrano il tipo di errori sottili e strutturati che potrebbero contare con la crescita delle macchine.

Cosa osservare

Il lavoro è un preprint e non è ancora stato sottoposto a revisione paritaria. Resta da capire se il metodo scalerà a set di porte logiche multiqubit e a codici più grandi, e se i gruppi hardware lo adotteranno abitualmente su sistemi più recenti come Helios di Quantinuum.