Um estado mágico lógico com fidelidade além do limite de destilação realizado em um processador quântico supercondutor
Protocolo de preparação de estado lógico arbitrário. Painel superior:O código de superfície é dividido em 5 regiões, o qubit de dados central, regiões I, II, III e IV. Os operadores lógicos Z ̂_L e X ̂_L se cruzam nos qubits de dados centrais. Painel inferior:O circuito do protocolo. Todos os qubits são redefinidos para o estado ├ ├|0┤⟩ no início do circuito. Em seguida, os qubits de dados nas regiões I e III são preparados para ├ ├|+┤⟩ pela porta Hadamard, e o qubit de dados central é preparado para o estado alvo ├ ├|ψ┤⟩ pelas portas de rotação. Uma rodada do ciclo de código de superfície é aplicada posteriormente, projetando o estado dos qubits de dados no espaço de estado lógico. Crédito:Yangsen Ye e outros Os computadores quânticos têm potencial para superar os computadores convencionais em algumas tarefas, incluindo problemas complexos de otimização. No entanto, os computadores quânticos também são vulneráveis ao ruído, o que pode levar a erros computacionais.
Os engenheiros têm tentado desenvolver abordagens de computação quântica tolerantes a falhas que possam ser mais resistentes ao ruído e, portanto, possam ser ampliadas de forma mais robusta. Uma abordagem comum para atingir a tolerância a falhas é a preparação de estados mágicos, que introduzem as chamadas portas não-Clifford.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, do Laboratório Chave de Informação Quântica e Criptografia de Henan e do Laboratório Nacional de Hefei demonstraram recentemente a preparação de um estado mágico lógico com fidelidade além do limite de destilação em um processador quântico supercondutor. O artigo deles, publicado em Physical Review Letters , descreve uma estratégia viável e eficaz para gerar estados mágicos lógicos de alta fidelidade, uma abordagem para realizar a computação quântica tolerante a falhas.
“Temos um plano de longo prazo no campo da correção quântica de erros”, disse o professor Xiao-Bo Zhu, coautor do artigo, ao Phys.org. "Após a conclusão de nosso trabalho anterior em um código de superfície de distância 3 para correção repetida de erros, consideramos que o próximo foco será a preparação de estados mágicos lógicos."
O objetivo final da pesquisa recente do Prof. Zhu e seus colegas é realizar uma computação quântica universal, robusta e tolerante a falhas. A preparação de estados mágicos lógicos é um passo fundamental para implementar portas lógicas não-Clifford, que por sua vez levam à obtenção de computação quântica tolerante a falhas.
"Em termos simples, a ideia básica do nosso protocolo é primeiro injetar o estado a ser preparado em um dos qubits no código de superfície e, em seguida, 'propagar' a informação do estado para todo o código de superfície, alcançando assim uma preparação lógica do estado ”, explicou o Prof. Zhu. “Neste protocolo, a escolha da posição de injeção do estado a ser preparado e dos estados de inicialização de outros qubits é importante.” Resultados experimentais dos diferentes estados lógicos preparados. (a) Fidelidade ao estado lógico com pós-seleção na esfera de Bloch. A fidelidade da preparação de diferentes estados lógicos é representada como um círculo, que é dividido em múltiplos setores anulares, cada um representando um ponto na esfera de Bloch, com a direção radial representando o ângulo polar θ e a direção tangencial representando o ângulo azimutal φ . A fidelidade lógica média obtida é 0,8983. (b) Resultados de medição lógica de X ̂_L, Y ̂_L, Z ̂_L em função do ângulo polar θ ou do ângulo azimutal φ. As curvas tracejadas coloridas são o resultado do ajuste com função trigonométrica. (c) As matrizes de densidade lógica dos estados mágicos. As partes reais e imaginárias são representadas separadamente, e os wireframes transparentes representam a diferença da matriz de densidade ideal. Crédito:Yangsen Ye e outros O protocolo proposto por esta equipe de pesquisadores descreve uma estratégia simples, experimentalmente viável e escalável para preparar estados mágicos brutos de alta fidelidade em processadores quânticos supercondutores. Como parte de seu estudo recente, o Prof. Zhu e seus colegas aplicaram este protocolo no Zuchongzhi 2.1, um professor quântico de 66 qubit com um design de acoplamento ajustável.
“O design deste processador nos permite manipular a interação entre quaisquer dois qubits adjacentes, garantindo que nossas portas quânticas tenham fidelidade suficientemente alta, apesar de um alto grau de paralelismo”, disse o Prof. "Este design também contribui para expandir a escala de qubits em um processador."
Quando os pesquisadores implementaram seu protocolo no processador Zuchongzhi 2.1, alcançaram resultados muito promissores. Especificamente, eles prepararam de forma não destrutiva três estados mágicos lógicos com fidelidades lógicas de 0,8771±0,0009, 0,9090±0,0009 e 0,8890±0,0010, respectivamente, que são superiores ao limite do protocolo de destilação de estado, 0,859 (para estado mágico tipo H) e 0,827 (para estado mágico tipo T).
"Alcançamos um marco crítico no desenvolvimento da computação tolerante a falhas baseada no código de superfície, preparando com sucesso um estado mágico lógico de distância três com fidelidade ultrapassando o limite de destilação", disse o Prof. "Este resultado implica que podemos alimentar estados mágicos de baixa fidelidade no circuito de destilação de estados mágicos, passar por múltiplas destilações para obter estados mágicos de alta fidelidade suficientes e, posteriormente, empregá-los para construir portas lógicas não-Clifford tolerantes a falhas."
No futuro, o protocolo desenvolvido pelo Prof. Zhu e seus colegas poderá ser usado por outras equipes de pesquisa para realizar estados mágicos lógicos brutos de alta fidelidade, utilizando uma gama mais ampla de processadores quânticos supercondutores. Em última análise, poderia contribuir para a realização de uma computação quântica robusta e com tolerância a falhas, o que, por sua vez, poderia permitir o desenvolvimento de computadores quânticos de maior escala.
“No campo da correção quântica de erros, planejamos continuar explorando duas direções principais de pesquisa”, acrescentou o Prof. "Primeiro, pretendemos melhorar o desempenho de um qubit lógico (ou memória quântica com correção de erros), reduzindo a taxa de erro de manipulação física e aumentando o número de qubits codificados, suprimindo assim a taxa de erro lógico para níveis práticos. Em segundo lugar, conduzimos pesquisa experimental em operações lógicas com correção de erros, como cirurgia de rede, para aplicação em futura computação quântica tolerante a falhas."
Mais informações: Yangsen Ye et al, Logical Magic State Preparation with Fidelity Beyond the Distillation Threshold on a Superconducting Quantum Processor, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.210603 Informações do diário: Cartas de revisão física
