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Natura volume 616, pagine 56–60 (2023) Citare questo articolo

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La correzione degli errori quantistici (QEC) mira a proteggere i qubit logici dai rumori utilizzando la ridondanza di un ampio spazio di Hilbert, che consente di rilevare e correggere gli errori in tempo reale1. Nella maggior parte dei codici QEC2,3,4,5,6,7,8, un qubit logico è codificato in alcune variabili discrete, ad esempio i numeri di fotoni, in modo che l'informazione quantistica codificata possa essere estratta in modo inequivocabile dopo l'elaborazione. Negli ultimi dieci anni, la QEC ripetitiva è stata dimostrata con vari scenari codificati con variabili discrete9,10,11,12,13,14,15,16,17. Tuttavia, estendere la durata dei qubit logici così codificati oltre il miglior qubit fisico disponibile rimane ancora sfuggente, il che rappresenta un punto di pareggio per giudicare l’utilità pratica del QEC. Qui dimostriamo una procedura QEC in un'architettura elettrodinamica quantistica circuitale18, in cui il qubit logico è codificato binomialmente negli stati del numero di fotoni di una cavità a microonde8, accoppiato in modo dispersivo a un qubit superconduttore ausiliario. Applicando un impulso con un pettine di frequenza su misura al qubit ausiliario, possiamo estrarre ripetutamente la sindrome dell'errore con alta fedeltà ed eseguire di conseguenza la correzione dell'errore con controllo del feedback, superando così il punto di pareggio con un miglioramento della durata di circa il 16%. Il nostro lavoro illustra il potenziale delle codifiche a variabili discrete efficienti in termini di hardware per il calcolo quantistico tollerante ai guasti19.

Uno dei principali ostacoli alla costruzione di un computer quantistico è la decoerenza indotta dall’ambiente, che distrugge le informazioni quantistiche archiviate nei qubit. Gli errori causati dalla decoerenza possono essere corretti mediante l'applicazione ripetitiva di una procedura di correzione degli errori quantistici (QEC), per cui il qubit logico è codificato in uno spazio di Hilbert ad alta dimensionalità, in modo tale che diversi errori proiettino il sistema in diversi sottospazi ortogonali e quindi possano essere corretti identificati e corretti in modo inequivocabile senza disturbare le informazioni quantistiche memorizzate. Negli schemi QEC convenzionali1,9, le parole in codice di un qubit logico sono formate da due stati entangled altamente simmetrici di diversi qubit fisici codificati con alcune variabili discrete. Gli ultimi due decenni hanno assistito a notevoli progressi nelle dimostrazioni sperimentali di questo tipo di codice QEC in diversi sistemi, tra cui spin nucleari5,6, centri di azoto vacante nel diamante10,20, ioni intrappolati7,11,21,22,23, qubit fotonici24, qubit di spin in silicio25 e circuiti superconduttori12,13,14,15,16,26,27. Tuttavia, in questi esperimenti, la durata del qubit logico deve ancora essere notevolmente estesa per raggiungere quella del miglior componente fisico disponibile, che è considerato il punto di pareggio per giudicare se un codice QEC può o meno favorire l’archiviazione di informazioni quantistiche. ed elaborazione.

Uno schema di codifica QEC alternativo consiste nell'utilizzare l'ampio spazio di un oscillatore, che può essere utilizzato per codificare un qubit28,29,30,31,32 a variabile continua o a variabile discreta. Entrambi i tipi di codice possono tollerare errori dovuti alla perdita e al guadagno di quanti di energia, consentendo di eseguire il QEC in modo efficiente a livello hardware. I sistemi di elettrodinamica quantistica dei circuiti (QED)18 rappresentano una piattaforma ideale per realizzare tali schemi di codifica: il punto di pareggio è stato superato in due esperimenti innovativi33,34 distribuendo l'informazione quantistica su uno spazio di Hilbert a dimensione infinita di un sistema codificato a variabile continua qubit fotonico, ma le parole in codice di questo qubit fotonico non sono strettamente ortogonali. Questa restrizione intrinseca può essere superata con schemi di codifica a variabile discreta, in cui le parole in codice di un qubit logico sono codificate con stati Fock reciprocamente ortogonali di un oscillatore. Questa caratteristica, insieme alla loro intrinseca compatibilità con porte correggibili in caso di errore35,36 e alla loro utilità nel connettere logicamente i moduli in una rete quantistica37, rende tali qubit a variabili discrete promettenti nel calcolo quantistico tollerante ai guasti. Questi vantaggi possono essere trasformati in vantaggi pratici nell’elaborazione reale dell’informazione quantistica solo quando la durata dei qubit logici codificati viene estesa oltre il punto di pareggio, che, tuttavia, rimane un risultato sfuggente, sebbene siano stati compiuti sforzi costanti verso questo obiettivo17. 32.