Quantinuum diz que está próximo do ponto de equilíbrio da correção de erros quânticos

Quantinuum, que une CambridgeQuantum software com Honeywell Quantum hardware de íons presos, anunciou hoje que está perto de um “ponto de equilíbrio na correção de erros quânticos. A seguir, um documento divulgado pela empresa.

BROOMFIELD, Colorado, 4 de agosto de 2022 – quântico os pesquisadores atingiram um marco significativo ao emaranhar qubits lógicos em um circuito tolerante a falhas usando correção de erro quântico em tempo real. A pesquisa, publicada em um novo artigo científico que foi lançado em 3 de agosto^rd, é o primeiro estudo de comparação experimental de diferentes códigos de correção de erros quânticos em ambientes semelhantes e apresenta uma coleção de vários experimentos diferentes. Esses experimentos incluem:

1. A primeira demonstração de emaranhamento de portas entre dois qubits lógicos feita de maneira totalmente tolerante a falhas usando correção de erros em tempo real.

2. A primeira demonstração de um circuito de emaranhamento lógico que tem maior fidelidade do que o circuito físico correspondente.

Essa conquista é importante porque marca a primeira vez que os qubits lógicos superam os qubits físicos – um passo crítico para computadores quânticos tolerantes a falhas.

“O roteiro de computação quântica de íons presos da Quantinuum foi projetado em torno de atualizações contínuas, habilitando nossa arquitetura flexível e nossos recursos de controle de precisão. Essa combinação proporciona conquistas excepcionais e inéditas que ajudam a acelerar todo o setor”, disse Tony Uttley, presidente e COO da Quantinuum.

David Hayes, gerente técnico de teoria e arquitetura da Quantinuum e coautor do novo trabalho de pesquisa, disse que a pesquisa aproxima a computação quântica do ponto em que os circuitos codificados superam as operações mais primitivas.

“As pessoas já trabalharam com qubits corrigidos de erros antes, mas não chegaram a esse tipo de ponto especial em que a operação codificada está funcionando melhor do que a operação primitiva”, disse Hayes. “A outra novidade aqui é que em outros experimentos estamos fazendo a correção de erros enquanto fazemos as operações. Um próximo passo importante para nós é reduzir ainda mais a taxa de erro induzida pela própria correção de erros.”

As descobertas são descritas no novo artigo de pesquisa, “Implementing Fault-tolerant Entangling Gates on the Five-Qubit code and the Color Code”. O artigo foi publicado recentemente no arXiv. Os cientistas usaram os computadores quânticos H1-1 e H1-2, desenvolvidos pela Honeywell, para comparar o código de erro de cinco qubits e o código de três cores de distância nesses testes.

Os pesquisadores quânticos estão nos primeiros dias da correção experimental de erros quânticos com uma infinidade de códigos para testar. Os pesquisadores da Quantinuum podem explorar uma gama mais ampla de códigos de erro quântico, em comparação com outros projetos de hardware quântico, devido à arquitetura da máquina.

O modelo de sistema H1 usa um design de íons presos e uma arquitetura de dispositivo acoplado com carga quântica (QCCD). Junto com a flexibilidade inerente desse design, outro ponto forte é a conectividade total. Todos os qubits estão conectados uns aos outros, o que facilita a movimentação de informações através de cadeias de íons sem criar vários erros ao longo do caminho.

“Em vez de ter que construir uma nova máquina toda vez que queremos testar um novo código, podemos simplesmente programar a máquina para executar um código diferente, fazer as medições e pesar os diferentes prós e contras”, disse Hayes.

Todas as formas de tecnologia precisam de correção de erros, incluindo servidores em data centers e sondas espaciais enviando transmissões de volta à Terra. Para a Quantinuum e outras empresas do setor de computação quântica, a correção de erros quânticos é um dos pilares mais importantes do progresso. Os erros impedem que os computadores quânticos produzam resultados confiáveis ​​antes de serem sobrecarregados. Os pesquisadores da Quantinuum estão trabalhando no marco da tolerância a falhas, o que significa que os erros podem ser suprimidos a níveis arbitrariamente baixos.

Natalie Brown, outra coautora do artigo e física avançada da Quantinuum, disse que a maioria dos princípios clássicos de correção de erros falham com computadores quânticos devido à natureza básica da mecânica quântica.

“Torna-se muito difícil suprimir o ruído em níveis muito pequenos, e isso se torna um problema na computação quântica”, disse ela. “O candidato mais promissor foi essa correção de erro quântico, onde pegamos os qubits físicos, fazemos um qubit lógico.”

Qubits lógicos são grupos de qubits físicos trabalhando juntos para realizar uma computação. Para cada qubit físico usado em uma computação, outros qubits auxiliares executam uma série de tarefas, como detectar e corrigir erros à medida que eles ocorrem.

“Uma das primeiras coisas realmente importantes a demonstrar foram essas rodadas repetidas de ciclos de correção de erros quânticos”, disse ele.

Esse é um dos vários marcos na lista de verificação de correção de erros quânticos de Ryan-Anderson:

1. Conduzir rodadas repetidas de correção de erro quântico tolerante a falhas

2. Avançar e aplicar condicionalmente a extração da síndrome

3. Habilitar a determinação em tempo real da correção para um código de correção de erro quântico

4. Demonstrar decodificação geral algorítmica em tempo real

5. Aumente a correção de erros quânticos com dois qubits lógicos

6. Atinja o ponto de equilíbrio quando a computação quântica lógica começar a superar a computação quântica física

“A Quantinuum alcançou alguns dos marcos necessários para realizar isso agora”, disse Ryan-Anderson.

Com base na pesquisa de 2021 envolvendo um qubit lógico, a pesquisa mais recente ilustra o progresso da equipe Quantinuum com correção de erros quânticos e dois qubits lógicos. A equipe testou dois códigos de erro familiares aos especialistas quânticos: o Código de Cinco Qubits e o Código de Cores. O código de cinco qubits não permite uma porta transversal tolerante a falhas usando apenas dois qubits lógicos. Os pesquisadores usaram a tolerância a falhas “por partes” para decompor uma operação de porta lógica inicialmente não tolerante a falhas em partes que são individualmente tolerantes a falhas. O Código de Cores, no entanto, permite o uso de uma porta CNOT transversal que é naturalmente tolerante a falhas.

H1-2 pode usar até 12 qubits e H1-1 pode usar até 20. O código de cinco qubits testado em H1-2 enquanto o código de cores testado em H1-1. Ambos os computadores usam a mesma armadilha de íons de eletrodo de superfície para controlar íons de itérbio como qubits. O transporte de íons para zonas de porta isoladas com feixes de laser focados fornece operações de medição de porta de baixa diafonia e circuito médio.

Os pesquisadores realizaram cinco experimentos com diferentes combinações de elementos de circuito para testar o Código de Cinco Qubits e entender o impacto do design tolerante a falhas e a profundidade do circuito. A equipe descobriu que o circuito extra projetado para aumentar a tolerância a falhas teve um impacto negativo na fidelidade geral da operação lógica, devido ao grande número de operações CNOT necessárias.

O Color Code mostrou resultados muito melhores devido em parte à capacidade de usar uma porta CNOT transversal. A equipe realizou sete experimentos para investigar o potencial de tolerância a falhas desses códigos. Com o código de cores, os pesquisadores descobriram que os circuitos de preparação e medição de estado se beneficiaram da adição de circuitos tolerantes a falhas com uma redução significativa das taxas de erro: 99.94% para os qubits lógicos em comparação com 99.68% para os qubits físicos. Este foi o único circuito adicional necessário para tornar o circuito tolerante a falhas de ponta a ponta, uma vez que o CNOT lógico é transversal e naturalmente tolerante a falhas.

Os pesquisadores concluíram que o “circuito tolerante a falhas relativamente econômico do Código de Cores fornecerá uma plataforma melhor para computação do que o código eficiente de cinco qubits”. Além disso, os pesquisadores descobriram que o Código de Cinco Qubits seria útil apenas em sistemas com taxas de erro físico muito mais baixas do que os computadores quânticos neste momento.

Hayes disse que o próximo passo da equipe será superar o ponto de equilíbrio e fornecer prova do trabalho. “Estamos obtendo evidências de que estamos realmente perto desse ponto, mas há muito trabalho que precisa ser feito para realmente provar isso”, disse ele. “Apenas chegar lá não é bom o suficiente, você tem que realmente superar isso.”

Outro avanço deste experimento é um novo processador clássico com recursos aprimorados que serão essenciais para decodificadores algorítmicos escaláveis. Os dados das funções clássicas foram usados ​​para ditar o fluxo de controle e as operações executadas no programa quântico.

Os decodificadores utilizados nestes experimentos foram parcialmente escritos em Rust e compilados para WebAssembly (Wasm). A escolha do Wasm fornece uma linguagem clássica eficiente, segura e portátil para ter funções que podem ser chamadas de programas quânticos.

O decodificador implementado em Rust usa muitas construções de programa de alto nível. O suporte para esses recursos significa que vários decodificadores algorítmicos escaláveis ​​podem ser implementados ergonomicamente em várias linguagens de alto nível que compilam para Wasm (como Rust, C e C++) e chamadas de programas quânticos.

“Foi bastante capacitador para este experimento em particular, e será ainda mais importante para experimentos futuros, pois essas coisas ficam cada vez mais complicadas”, disse Hayes.

Outra vantagem da arquitetura de íons presos é a capacidade de tomar decisões em tempo real durante a execução do circuito quântico, graças aos longos tempos de coerência e à capacidade de fazer medições no meio do circuito e redefinir os qubits conforme necessário.

“Nossos sistemas têm tempos de coerência muito longos, o que é super vantajoso ao se integrar à tomada de decisão em tempo real de computação clássica”, disse Hayes.