Batendo o intervalo

Nature volume 616, páginas 56–60 (2023) Citar este artigo

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A correção de erros quânticos (QEC) visa proteger os qubits lógicos de ruídos usando a redundância de um grande espaço de Hilbert, o que permite que erros sejam detectados e corrigidos em tempo real1. Na maioria dos códigos QEC2,3,4,5,6,7,8, um qubit lógico é codificado em algumas variáveis ​​discretas, por exemplo, números de fótons, para que a informação quântica codificada possa ser extraída sem ambiguidade após o processamento. Na última década, o QEC repetitivo foi demonstrado com vários cenários codificados de variáveis ​​discretas9,10,11,12,13,14,15,16,17. No entanto, estender o tempo de vida dos qubits lógicos assim codificados além do melhor qubit físico disponível ainda permanece indescritível, o que representa um ponto de equilíbrio para julgar a utilidade prática do QEC. Aqui demonstramos um procedimento QEC em uma arquitetura de eletrodinâmica quântica de circuito18, onde o qubit lógico é codificado binomialmente em estados de número de fótons de uma cavidade de micro-ondas8, acoplado dispersivamente a um qubit supercondutor auxiliar. Ao aplicar um pulso com um pente de frequência personalizado ao qubit auxiliar, podemos extrair repetidamente a síndrome de erro com alta fidelidade e executar a correção de erros com controle de feedback correspondente, excedendo assim o ponto de equilíbrio em cerca de 16% de aprimoramento da vida útil. Nosso trabalho ilustra o potencial de codificações de variáveis ​​discretas com eficiência de hardware para computação quântica tolerante a falhas19.

Um dos principais obstáculos para a construção de um computador quântico é a decoerência induzida pelo ambiente, que destrói as informações quânticas armazenadas nos qubits. Os erros causados ​​pela decoerência podem ser corrigidos pela aplicação repetitiva de um procedimento de correção de erro quântico (QEC), em que o qubit lógico é codificado em um espaço de Hilbert de alta dimensão, de modo que diferentes erros projetam o sistema em diferentes subespaços ortogonais e, portanto, podem ser inequivocamente identificados e corrigidos sem perturbar a informação quântica armazenada. Nos esquemas QEC convencionais1,9, as palavras de código de um qubit lógico são formadas por dois estados emaranhados altamente simétricos de vários qubits físicos codificados com algumas variáveis ​​discretas. As últimas duas décadas testemunharam avanços notáveis ​​em demonstrações experimentais desse tipo de código QEC em diferentes sistemas, incluindo spins nucleares5,6, centros de vacância de nitrogênio em diamante10,20, íons aprisionados7,11,21,22,23, qubits fotônicos24, qubits de spin de silício25 e circuitos supercondutores12,13,14,15,16,26,27. No entanto, nesses experimentos, o tempo de vida do qubit lógico ainda precisa ser bastante estendido para alcançar o do melhor componente físico disponível, que é considerado o ponto de equilíbrio para julgar se um código QEC pode ou não beneficiar o armazenamento de informações quânticas e processamento.

Um esquema alternativo de codificação QEC é usar o grande espaço de um oscilador, que pode ser usado para codificar uma variável contínua ou uma variável discreta qubit28,29,30,31,32. Ambos os tipos de código podem tolerar erros devido à perda e ganho de quanta de energia, permitindo que o QEC seja executado de maneira eficiente em termos de hardware. Os sistemas de eletrodinâmica quântica de circuito (QED)18 representam uma plataforma ideal para a realização de tais esquemas de codificação: o ponto de equilíbrio foi excedido em dois experimentos inovadores33,34, distribuindo a informação quântica sobre um espaço de Hilbert de dimensão infinita de um código de variável contínua qubit fotônico, mas as palavras de código desse qubit fotônico não são estritamente ortogonais. Essa restrição inerente pode ser superada com esquemas de codificação de variável discreta, em que as palavras de código de um qubit lógico são codificadas com estados Fock mutuamente ortogonais de um oscilador. Esse recurso, juntamente com sua compatibilidade intrínseca com portas corrigíveis por erro35,36 e sua utilidade na conexão lógica de módulos em uma rede quântica37, torna esses qubits de variáveis ​​discretas promissores na computação quântica tolerante a falhas. Essas vantagens podem ser transformadas em benefícios práticos no processamento real de informações quânticas somente quando o tempo de vida dos qubits lógicos codificados for estendido além do ponto de equilíbrio, o que, no entanto, permanece um resultado indescritível, embora esforços duradouros tenham sido feitos para atingir esse objetivo17, 32.