Un état magique logique avec une fidélité au-delà du seuil de distillation réalisé sur un processeur quantique supraconducteur

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Protocole de préparation d'état logique arbitraire. Panneau supérieur :le code de surface est divisé en 5 régions, le qubit de données central, les régions I, II, III et IV. Les opérateurs logiques Z ̂_L et X ̂_L se croisent au niveau des qubits de données centraux. Panneau inférieur :Le circuit du protocole. Tous les qubits sont réinitialisés à l'état ├ ├|0┤⟩ au début du circuit. Ensuite, les qubits de données dans les régions I et III sont préparés pour ├ ├|+┤⟩ par la porte Hadamard, et le qubit de données central est préparé pour l'état cible ├ ├|ψ┤⟩ par des portes de rotation. Un cycle de code de surface est ensuite appliqué, projetant l'état des qubits de données dans l'espace d'état logique. Crédit :Yangsen Ye et al

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de surpasser les ordinateurs conventionnels dans certaines tâches, notamment pour des problèmes d’optimisation complexes. Cependant, les ordinateurs quantiques sont également vulnérables au bruit, ce qui peut entraîner des erreurs de calcul.

Les ingénieurs ont tenté de concevoir des approches informatiques quantiques tolérantes aux pannes, qui pourraient être plus résistantes au bruit et pourraient ainsi être étendues de manière plus robuste. Une approche courante pour atteindre la tolérance aux pannes consiste à préparer des états magiques, qui introduisent des portes dites non-Clifford.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine, du Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography et du Hefei National Laboratory ont récemment démontré la préparation d’un état magique logique avec une fidélité au-delà du seuil de distillation sur un processeur quantique supraconducteur. Leur article, publié dans Physical Review Letters , décrit une stratégie viable et efficace pour générer des états magiques logiques haute fidélité, une approche pour réaliser une informatique quantique tolérante aux pannes.

"Nous avons un plan à long terme dans le domaine de la correction des erreurs quantiques", a déclaré à Phys.org le professeur Xiao-Bo Zhu, co-auteur de l'article. "Après l'achèvement de nos travaux précédents sur un code de surface à distance 3 pour la correction d'erreurs répétées, nous considérons que le prochain objectif sera la préparation d'états magiques logiques."

L’objectif ultime des recherches récentes du professeur Zhu et de ses collègues est de réaliser une informatique quantique universelle, robuste et tolérante aux pannes. La préparation d'états magiques logiques est une étape clé pour mettre en œuvre des portes logiques non-Clifford, qui à leur tour conduisent à la réalisation d'une informatique quantique tolérante aux pannes.

"En termes simples, l'idée de base de notre protocole est d'abord d'injecter l'état à préparer dans l'un des qubits du code de surface, puis de "propager" les informations d'état à l'ensemble du code de surface, obtenant ainsi une préparation d'état logique. ", a expliqué le professeur Zhu. "Dans ce protocole, le choix de la position d'injection de l'état à préparer et des états d'initialisation des autres qubits est important."

Résultats expérimentaux des différents états logiques préparés. (a) Fidélité de l'état logique avec post-sélection dans la sphère de Bloch. La fidélité de la préparation des différents états logiques est représentée par un cercle divisé en plusieurs secteurs annulaires, chacun représentant un point sur la sphère de Bloch, la direction radiale représentant l'angle polaire θ et la direction tangentielle représentant l'angle azimutal φ. . La fidélité logique moyenne obtenue est de 0,8983. (b) Résultats de mesure logiques de X ̂_L, Y ̂_L, Z ̂_L en fonction de l'angle polaire θ ou de l'angle azimutal φ. Les courbes pointillées colorées sont le résultat d’un ajustement avec la fonction trigonométrique. (c) Les matrices de densité logique des états magiques. Les parties réelles et imaginaires sont représentées séparément, et les wireframes transparents représentent la différence par rapport à la matrice de densité idéale. Crédit :Yangsen Ye et al

Le protocole proposé par cette équipe de chercheurs décrit une stratégie simple, expérimentalement viable et évolutive pour préparer des états magiques bruts haute fidélité dans des processeurs quantiques supraconducteurs. Dans le cadre de leur récente étude, le professeur Zhu et ses collègues ont appliqué ce protocole sur Zuchongzhi 2.1, un professeur quantique de 66 qubits avec une conception de couplage accordable.

"La conception de ce processeur nous permet de manipuler l'interaction entre deux qubits adjacents, garantissant ainsi que nos portes quantiques soient suffisamment fidèles malgré un degré élevé de parallélisme", a déclaré le professeur Zhu. "Cette conception permet également d'étendre l'échelle des qubits sur un seul processeur."

Lorsque les chercheurs ont implémenté leur protocole sur le processeur Zuchongzhi 2.1, ils ont obtenu des résultats très prometteurs. Plus précisément, ils ont préparé de manière non destructive trois états magiques logiques avec des fidélités logiques de 0,8771 ± 0,0009, 0,9090 ± 0,0009 et 0,8890 ± 0,0010, respectivement, qui sont supérieures au seuil du protocole de distillation d'état, 0,859 (pour l'état magique de type H) et 0,827 (pour l'état magique de type T).

"Nous avons franchi une étape critique dans le développement d'un calcul tolérant aux pannes basé sur le code de surface en préparant avec succès un état magique logique de distance trois avec une fidélité dépassant le seuil de distillation", a déclaré le professeur Zhu. "Ce résultat implique que nous pouvons introduire des états magiques basse fidélité dans le circuit de distillation des états magiques, subir de multiples distillations pour obtenir des états magiques suffisamment haute fidélité, et ensuite les utiliser pour construire des portes logiques non-Clifford tolérantes aux pannes."

À l’avenir, le protocole développé par le professeur Zhu et ses collègues pourrait être utilisé par d’autres équipes de recherche pour réaliser des états magiques logiques bruts de haute fidélité, en utilisant une gamme plus large de processeurs quantiques supraconducteurs. À terme, cela pourrait contribuer à la réalisation d'une informatique quantique robuste à tolérance de pannes, qui pourrait à son tour permettre le développement d'ordinateurs quantiques à plus grande échelle.

"Dans le domaine de la correction des erreurs quantiques, nous prévoyons de continuer à explorer deux directions de recherche principales", a ajouté le professeur Zhu. "Premièrement, nous visons à améliorer les performances d'un qubit logique (ou d'une mémoire quantique à erreurs corrigées) en réduisant le taux d'erreur de manipulation physique et en augmentant le nombre de qubits codés, supprimant ainsi le taux d'erreur logique à des niveaux pratiques. Deuxièmement, nous menons recherche expérimentale sur les opérations logiques corrigées des erreurs, telles que la chirurgie du réseau, pour une application dans le futur informatique quantique tolérant aux pannes. "

Plus d'informations : Yangsen Ye et al, Préparation d'un état magique logique avec une fidélité au-delà du seuil de distillation sur un processeur quantique supraconducteur, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.210603

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique