Un estado mágico lógico con fidelidad más allá del umbral de destilación realizado en un procesador cuántico superconductor

Protocolo de preparación de estados lógicos arbitrarios. Panel superior: el código de superficie se divide en 5 regiones, el qubit de datos central, las regiones I, II, III y IV. Los operadores lógicos Z ̂_L y X ̂_L se cruzan en los qubits de datos centrales. Panel inferior: El circuito del protocolo. Todos los qubits se restablecen al estado ├ ├|0┤⟩ al comienzo del circuito. Luego, los qubits de datos en las regiones I y III se preparan para ├ ├|+┤⟩ mediante la puerta Hadamard, y el qubit de datos central se prepara para el estado objetivo ├ ├|ψ┤⟩ mediante puertas de rotación. Posteriormente se aplica una ronda de ciclo de código de superficie, proyectando el estado de los qubits de datos en el espacio de estado lógico. Crédito: Yangsen Ye et al.

Un estado mágico lógico con una fidelidad más allá del umbral de destilación realizado en un procesador cuántico superconductor — Protocolo de preparación de estados lógicos arbitrarios. Panel superior: el código de superficie se divide en 5 regiones, el qubit de datos central, las regiones I, II, III y IV. Los operadores lógicos Z ̂_L y X ̂_L se cruzan en los qubits de datos centrales. Panel inferior: El circuito del protocolo. Todos los qubits se restablecen al estado ├ ├|0┤⟩ al comienzo del circuito. Luego, los qubits de datos en las regiones I y III se preparan para ├ ├|+┤⟩ mediante la puerta Hadamard, y el qubit de datos central se prepara para el estado objetivo ├ ├|ψ┤⟩ mediante puertas de rotación. Posteriormente se aplica una ronda de ciclo de código de superficie, proyectando el estado de los qubits de datos en el espacio de estado lógico. Crédito: Yangsen Ye et al.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar a las computadoras convencionales en algunas tareas, incluidos problemas complejos de optimización. Sin embargo, los ordenadores cuánticos también son vulnerables al ruido, lo que puede provocar errores de cálculo.

Los ingenieros han estado intentando idear enfoques de computación cuántica tolerantes a fallas que podrían ser más resistentes al ruido y, por lo tanto, podrían ampliarse de manera más sólida. Un enfoque común para lograr tolerancia a fallas es la preparación de estados mágicos, que introducen las llamadas puertas no Clifford.

Investigadores de la Universidad de Ciencias y Tecnología de China, el Laboratorio Clave de Información Cuántica y Criptografía de Henan y el Laboratorio Nacional de Hefei demostraron recientemente la preparación de un estado mágico lógico con fidelidad más allá del umbral de destilación en un procesador cuántico superconductor. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, describe una estrategia viable y eficaz para generar estados mágicos lógicos de alta fidelidad, un enfoque para realizar la computación cuántica tolerante a fallos.

"Tenemos un plan a largo plazo en el campo de la corrección de errores cuánticos", dijo a Phys.org el profesor Xiao-Bo Zhu, coautor del artículo. "Después de completar nuestro trabajo anterior en un código de superficie de distancia 3 para la corrección de errores repetidos, consideramos que el próximo enfoque será la preparación de estados mágicos lógicos".

El objetivo final de la reciente investigación del profesor Zhu y sus colegas es lograr una computación cuántica universal, robusta y tolerante a fallos. La preparación de estados mágicos lógicos es un paso clave para implementar puertas lógicas no Clifford, que a su vez conducen al logro de la computación cuántica tolerante a fallos.

“En términos simples, la idea básica de nuestro protocolo es inyectar primero el estado que se va a preparar en uno de los qubits en el código de superficie y luego 'propagar' la información del estado a todo el código de superficie, logrando así una preparación de estado lógica. ”, explicó el profesor Zhu. "En este protocolo, la elección de la posición de inyección del estado que se va a preparar y los estados de inicialización de otros qubits es importante".

Resultados experimentales de los diferentes estados lógicos preparados. (a) Fidelidad del estado lógico con la post-selección en la esfera de Bloch. La fidelidad de la preparación de diferentes estados lógicos se representa como un círculo, que se divide en múltiples sectores anulares, cada uno de los cuales representa un punto en la esfera de Bloch, representando la dirección radial el ángulo polar θ y la dirección tangencial el ángulo azimutal φ. . La fidelidad lógica media obtenida es 0.8983. (b) Resultados de medición lógica de X ̂_L, Y ̂_L, Z ̂_L en función del ángulo polar θ o del ángulo azimutal φ. Las curvas discontinuas coloreadas son el resultado del ajuste con función trigonométrica. (c) Las matrices de densidad lógica de los estados mágicos. Las partes reales e imaginarias se representan por separado y las estructuras alámbricas transparentes representan la diferencia con la matriz de densidad ideal. Crédito: Yangsen Ye et al.

El protocolo propuesto por este equipo de investigadores describe una estrategia simple, experimentalmente viable y escalable para preparar estados mágicos brutos de alta fidelidad en procesadores cuánticos superconductores. Como parte de su reciente estudio, el profesor Zhu y sus colegas aplicaron este protocolo en Zuchongzhi 2.1, un profesor cuántico de 66 qubits con un diseño de acoplamiento sintonizable.

"El diseño de este procesador nos permite manipular la interacción entre dos qubits adyacentes, asegurando que nuestras puertas cuánticas tengan una fidelidad suficientemente alta a pesar de un alto grado de paralelismo", dijo el profesor Zhu. "Este diseño también favorece la ampliación de la escala de qubits en un procesador".

Cuando los investigadores implementaron su protocolo en el procesador Zuchongzhi 2.1, lograron resultados muy prometedores. Específicamente, prepararon de forma no destructiva tres estados mágicos lógicos con fidelidades lógicas de 0.8771 ± 0.0009, 0.9090 ± 0.0009 y 0.8890 ± 0.0010, respectivamente, que son más altas que el umbral del protocolo de destilación del estado, 0.859 (para el estado mágico tipo H) y 0.827 (para estado mágico tipo T).

"Hemos logrado un hito crítico en el desarrollo de la computación tolerante a fallas basada en el código de superficie al preparar con éxito un estado mágico lógico de distancia tres con una fidelidad que supera el umbral de destilación", dijo el profesor Zhu. "Este resultado implica que podemos alimentar estados mágicos de baja fidelidad en el circuito de destilación de estados mágicos, someternos a múltiples destilaciones para obtener estados mágicos de fidelidad suficientemente alta y, posteriormente, emplearlos para construir puertas lógicas no Clifford tolerantes a fallas".

En el futuro, el protocolo desarrollado por el profesor Zhu y sus colegas podría ser utilizado por otros equipos de investigación para realizar estados mágicos lógicos brutos de alta fidelidad, utilizando una gama más amplia de procesadores cuánticos superconductores. En última instancia, podría contribuir a la realización de una computación cuántica robusta y con tolerancia a fallos, que a su vez podría permitir el desarrollo de ordenadores cuánticos a mayor escala.

"En el campo de la corrección de errores cuánticos, tenemos previsto seguir explorando dos direcciones principales de investigación", añadió el profesor Zhu. “En primer lugar, nuestro objetivo es mejorar el rendimiento de un qubit lógico (o memoria cuántica con corrección de errores) reduciendo la tasa de error de manipulación física y aumentando el número de qubits codificados, suprimiendo así la tasa de error lógico a niveles prácticos. En segundo lugar, llevamos a cabo investigaciones experimentales sobre operaciones lógicas con corrección de errores, como la cirugía de red, para su aplicación en la futura computación cuántica tolerante a fallos”.