Google dimostra la coltivazione degli stati magici su Willow, con errori ridotti di circa 40 volte

Google Quantum AI afferma di aver dimostrato che la coltivazione degli stati magici, una tecnica per preparare un tipo speciale di risorsa quantistica, funziona sul suo processore superconduttore Willow. Secondo l'azienda, il metodo ha ridotto gli errori di circa un fattore 40 rispetto agli stati preparati senza di esso. Google ha dichiarato che il lavoro è stato pubblicato su Science, annunciandolo questa settimana in un post sul blog firmato dalla ricercatrice Emma Rosenfeld e dall'ingegnere del software quantistico Craig Gidney.

I computer quantistici tolleranti ai guasti necessitano di un insieme universale di operazioni, e tra queste le cosiddette porte non-Clifford rappresentano un costo significativo in termini di risorse per la maggior parte degli schemi di correzione degli errori. Un modo comune per fornirle è preparare prima speciali stati di ingresso, chiamati stati magici, e consumarli per eseguire tali operazioni. Ogni stato magico può essere consumato una sola volta, e produrli con un basso tasso di errore è costoso: Google cita stime secondo cui fino al 95% della capacità di una macchina potrebbe essere destinato alla loro produzione. I ricercatori prevedevano questo collo di bottiglia fin dal 2004, ha affermato l'azienda.

La coltivazione è stata proposta nel 2024 da Gidney insieme ai colleghi di Google Noah Shutty e Cody Jones, che hanno perfezionato un'idea della letteratura precedente. Funziona come un filtro: uno stato rumoroso viene iniettato in una piccola area del chip, poi verificato attraverso una sequenza di misurazioni coordinate, e ogni tentativo che rivela un errore viene scartato. Secondo l'abstract del preprint del team su arXiv, l'esperimento ha raggiunto una fedeltà di stato di 0,9999(1) conservando l'8% dei tentativi, e il team ha sviluppato un protocollo di misura tollerante ai guasti per porre un limite a tale fedeltà. Google descrive come un record la fedeltà logica del 99,99% dei suoi stati T.

I ricercatori hanno inoltre trasferito gli stati coltivati tra due schemi di correzione degli errori. I codici a colori, un approccio più recente, si prestano alla coltivazione, mentre i codici di superficie sono il metodo più consolidato. Il team ha innestato stati da un codice a colori di distanza 3 in un codice di superficie di distanza 5, il che, secondo Google, ha dimostrato che gli stati purificati possono sopravvivere al passaggio sul suo hardware. L'azienda ha anche descritto mesi di risoluzione dei problemi dopo che i primi dati apparivano fisicamente implausibili: Rosenfeld ha ricondotto il problema al rumore di laboratorio dovuto ad apparecchiature elettriche soggette a deriva e a variazioni di temperatura, che compromettevano il consueto benchmark del team, portando a un controllo aggiuntivo e a un nuovo approccio di benchmarking in cui la coltivazione viene usata per misurare sé stessa.

Google ha riconosciuto che la coltivazione deve ancora essere dimostrata su scala più ampia prima di diventare realistica per macchine pratiche, e ha affermato che restano molte sfide tecniche. Il dato sulla conservazione implica inoltre che la maggior parte dei tentativi dell'esperimento è stata scartata. Un preprint dell'articolo era stato pubblicato in precedenza su arXiv. Google presenta il risultato come un passo verso il suo obiettivo di costruire un computer quantistico utile e con correzione degli errori.