Quantinuum ha affermato un risultato sperimentale nella correzione degli errori quantistici ottenuto mediante Helios, il proprio computer quantistico basato su ioni intrappolati. L’azienda ha misurato una fedeltà della memoria quantistica logica del 99,9995% per ciclo di correzione degli errori, corrispondente a circa cinque errori logici ogni milione di cicli. Il valore rappresenta, secondo Quantinuum, una riduzione di circa dieci volte del tasso di errore rispetto al precedente record comunicato dall’azienda e costituisce un avanzamento nella conservazione affidabile dell’informazione quantistica. I qubit fisici sono estremamente sensibili alle perturbazioni ambientali e agli errori introdotti dalle operazioni di controllo, motivo per cui l’elaborazione quantistica tollerante ai guasti richiede di distribuire l’informazione di un qubit logico tra più qubit fisici. Attraverso misurazioni ausiliarie è possibile individuare le manifestazioni degli errori senza effettuare una lettura diretta dello stato logico protetto. L’esperimento su Helios ha esaminato quanto l’aumento delle risorse impiegate nella codifica migliori effettivamente la conservazione dell’informazione, verificando la possibilità di operare al di sotto della soglia oltre la quale le operazioni aggiuntive di correzione finirebbero per introdurre più rumore dei benefici ottenuti.
La ricerca, intitolata Quantum error correction well below the color code threshold, ha utilizzato codici quantistici di tipo color code con distanze tre, cinque e sette. La distanza del codice esprime il livello di protezione contro determinate combinazioni di errori fisici: aumentando la distanza, cresce il numero di errori che il sistema può rilevare o correggere, ma aumentano anche le risorse necessarie per mantenere l’informazione codificata. Nei test di Quantinuum, il tasso di errore logico della memoria è passato da circa 5,5 errori ogni 10.000 cicli con distanza tre a 3,8 errori ogni 100.000 cicli con distanza cinque, fino a circa cinque errori per milione di cicli con distanza sette. L’esperimento più esteso ha impiegato 73 qubit fisici, inclusi quelli ausiliari utilizzati per le misurazioni, per proteggere un singolo qubit logico. La stima finale deriva da tre errori osservati in 29.000 esecuzioni sperimentali, ciascuna composta da venti cicli di correzione. Il numero limitato di eventi osservati rende significativa l’incertezza statistica: la ricerca riporta infatti una stima centrale di cinque errori per milione, con un intervallo a una deviazione standard compreso approssimativamente tra tre e nove errori per milione. La fedeltà dichiarata riguarda pertanto la conservazione della memoria logica per ciclo e non equivale alla possibilità di eseguire arbitrariamente un milione di porte quantistiche o di operazioni applicative senza errori.
Il miglioramento è stato ottenuto intervenendo sulle procedure di correzione utilizzate dal medesimo hardware Helios, senza sostituire il processore alla base delle precedenti sperimentazioni. La tecnologia a ioni intrappolati consente interazioni tra qubit che non sono limitate esclusivamente ai vicini immediati di una struttura fisica, offrendo maggiore flessibilità nell’applicazione di codici differenti. Una parte del lavoro ha riguardato il contenimento degli errori di leakage, che si verificano quando lo stato di uno ione esce dal sottospazio utilizzato per rappresentare il qubit e può generare errori correlati difficili da correggere. I ricercatori hanno combinato procedure di optical repumping, destinate a riportare gli ioni negli stati computazionali previsti, con configurazioni circuitali progettate per limitare la propagazione degli errori. Nei test sulla memoria, ogni incremento di due unità della distanza del codice ha comportato una riduzione del tasso di errore logico di circa dodici volte. Una sperimentazione separata su operazioni Clifford a due qubit ha mostrato una soppressione degli errori di circa nove volte nel passaggio dalla distanza tre alla distanza cinque, un risultato distinto da quello relativo alla fedeltà della memoria. Le limitazioni nel numero di qubit disponibili non hanno permesso di eseguire l’analoga prova a due qubit con distanza sette.
Un ulteriore elemento della ricerca riguarda l’utilizzo di tecniche di intelligenza artificiale per interpretare le misurazioni necessarie alla correzione degli errori. Il processo richiede un decodificatore classico capace di analizzare le sequenze di informazioni raccolte dal processore quantistico e identificare le configurazioni di errore più probabili. Quantinuum ha confrontato differenti approcci, tra cui Tesseract, un decodificatore basato sulla ricerca A*, Frontier, progettato per l’elaborazione continua delle misurazioni, una rete neurale convoluzionale tridimensionale e un transformer che elabora le informazioni organizzate per cicli. I modelli neurali sono stati addestrati mediante dati generati da un emulatore di Helios e successivamente applicati ai dati sperimentali senza ulteriori procedure di adattamento sui risultati dell’hardware reale. I ricercatori hanno registrato tempi di inferenza nell’ordine delle centinaia di microsecondi, compatibili con le esigenze temporali di sistemi di correzione in tempo reale. Le operazioni di decodifica della ricerca sono state tuttavia eseguite offline: i test in modalità streaming hanno simulato l’arrivo progressivo delle misurazioni, ma non hanno costituito un ciclo completo di controllo del processore quantistico tramite feedback neurale in tempo reale.
Quantinuum considera il risultato coerente con gli obiettivi di affidabilità previsti per Apollo, il sistema quantistico universale tollerante ai guasti inserito nella propria roadmap per il 2029, preceduto dal progetto Sol previsto per il 2027. La sperimentazione dimostra una maggiore efficacia della protezione di un qubit logico, ma non coincide ancora con la realizzazione di un computer quantistico universale in grado di sostenere applicazioni complesse a quella stessa fedeltà. Rimangono necessari l’estensione della correzione a numerosi qubit logici, l’esecuzione affidabile di un insieme sufficientemente completo di porte quantistiche e lo sviluppo di procedure scalabili per la preparazione degli stati magici, componente importante di diverse architetture di calcolo universale tollerante ai guasti. Il dato del 99,9995% documenta quindi un risultato specifico nella stabilità della memoria quantistica, ottenuto attraverso la combinazione di codici di maggiore distanza, controllo del leakage e sistemi avanzati di decodifica degli errori.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)