Usando métodos de autoteste, cientistas validam códigos de correção de erros em sistemas fotônicos e supercondutores
Os códigos quânticos de correção de erros protegem as informações quânticas da decoerência e do ruído quântico e, portanto, são cruciais para o desenvolvimento da computação quântica e a criação de algoritmos quânticos mais confiáveis e complexos. Um exemplo é o código de correção de erros de cinco qubits, sendo cinco o número mínimo de qubits necessários para corrigir erros de um único qubit. Eles contêm cinco qubits físicos (uma unidade básica liga/desliga de informações quânticas feita usando íons presos, circuitos supercondutores ou pontos quânticos) para corrigir um qubit lógico (uma coleção de qubits físicos organizados de forma a corrigir erros). No entanto, imperfeições no {hardware} ainda podem levar a erros quânticos.
Um método para testar códigos de correção de erros quânticos é o autoteste. O autoteste é uma ferramenta poderosa para verificar propriedades quânticas usando apenas estatísticas de entrada-saída, tratando dispositivos quânticos como caixas pretas. Evoluiu de sistemas bipartidos que consistem em dois subsistemas quânticos, para um emaranhamento multipartido, onde o emaranhamento ocorre entre três ou mais subsistemas, e agora para subespaços genuinamente emaranhados, onde cada estado está totalmente emaranhado em todos os subsistemas. Subespaços genuinamente emaranhados oferecem emaranhamento mais forte e garantido do que estados multipartidos gerais, tornando-os mais confiáveis para computação quântica e correção de erros.
Nesta pesquisa, técnicas de autoteste são usadas para certificar subespaços lógicos genuinamente emaranhados dentro do código de cinco qubits em plataformas fotônicas e supercondutoras. Isto é conseguido através da preparação de estados lógicos completos com informações que abrangem todo o espaço lógico, o que significa que o conjunto é rico o suficiente para caracterizar completamente o comportamento do sistema. Eles introduzem deliberadamente erros quânticos básicos simulando erros de Pauli no qubit físico, que imita o ruído do mundo actual. Por fim, utilizam testes matemáticos conhecidos como desigualdades de Bell, adaptados ao framework utilizado na correção quântica de erros, para verificar se o sistema evolui nos subespaços lógicos iniciais após a introdução dos erros.
As medidas de extrabilidade informam o quão próximo o sistema quântico testado está do estado alvo splendid, sendo 1 uma combinação perfeita. A certificação é apoiada por medidas de extratabilidade de pelo menos 0,828 ± 0,006 e 0,621 ± 0,007 para os sistemas fotônicos e supercondutores, respectivamente. A plataforma fotônica alcançou uma alta pontuação de extrabilidade, ou seja, o subespaço lógico ficou muito próximo do splendid. A plataforma supercondutora teve uma pontuação mais baixa, mas ainda mostrou um emaranhamento significativo. Essas pontuações mostram que o método de autoteste funciona na prática e confirmam um forte emaranhamento no código de cinco qubits em ambas as plataformas.
Esta pesquisa contribui para o avanço das tecnologias quânticas ao fornecer métodos robustos para verificação e caracterização de estruturas quânticas complexas, o que é essencial para o desenvolvimento de sistemas quânticos confiáveis e escaláveis. Também demonstra que a certificação independente de dispositivo pode ir além dos estados e medições quânticas, até estruturas quânticas mais gerais.
Quer saber mais sobre esse assunto?
Correção quântica de erros para iniciantes por Simon J Devitt, William J Munro e Kae Nemoto (2013)