Uno studio osserva forti correlazioni di rumore tra qubit di silicio.

3 novembre 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli , Phys.org

Per costruire computer quantistici ad alta performance, i ricercatori dovrebbero essere in grado di ottenere in modo affidabile informazioni sul rumore al loro interno, identificando contemporaneamente strategie efficaci per sopprimere questo rumore. Negli ultimi anni sono stati compiuti significativi progressi in questa direzione, consentendo di ridurre gli errori di funzionamento al di sotto dell'1% su diverse piattaforme di calcolo quantistico.

Un team di ricerca presso l'Istituto di Tecnologia di Tokyo e il RIKEN si è recentemente proposto di quantificare in modo affidabile le correlazioni tra il rumore prodotto da coppie di qubit basati su semiconduttori, che sono molto interessanti per lo sviluppo di processori quantistici scalabili. Il loro studio, pubblicato su Nature Physics, ha rivelato forti correlazioni di rumore tra un paio di qubit di spin di silicio adiacenti.

'Un computer quantistico utile richiederebbe praticamente milioni di qubit densamente collocati e ben controllati, con errori non solo piccoli ma anche sufficientemente non correlati', ha dichiarato Jun Yoneda, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org. 'Ci siamo proposti di affrontare il potenziale problema serio delle correlazioni degli errori nei qubit di silicio, poiché altrimenti sono diventati una piattaforma convincente per i grandi calcoli quantistici'.

Fino ad oggi è stato difficile fabbricare processori quantistici ad alte prestazioni basati su numerosi qubit di silicio posizionati vicino. Questi sistemi presenterebbero un rumore che è correlato tra i diversi qubit. Ciò riduce la tolleranza agli errori dei dispositivi, aumentando il tasso di errore e compromettendo così le loro prestazioni.

Nel quadro del loro recente studio, Yoneda e i suoi colleghi hanno esplorato l'estensione di queste correlazioni di rumore tra i qubit, nella speranza di fornire informazioni sul futuro sviluppo dei sistemi di calcolo quantistico basati su semiconduttori. Per fare ciò, hanno analizzato e cercato di quantificare la correlazione tra il rumore osservato da due qubit basati su silicio posizionati ad una distanza di 100 nm l'uno dall'altro.

'Gli errori nei qubit di spin di silicio sono dominati dalle fluttuazioni dell'energia del qubit, ovvero la differenza di energia tra gli stati del tipo up e down dello spin', ha spiegato Yoneda. 'Abbiamo misurato l'evoluzione temporale simultanea delle energie dei qubit e valutato il 'grado di somiglianza' tra le due tracce temporali tramite una quantità chiamata densità spettrale di potenza incrociata'.

Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di stima bayesiana che avevano sviluppato nel corso di precedenti lavori di ricerca, progettata per dare le distribuzioni di probabilità delle densità spettrali di potenza incrociata. Questa tecnica ha permesso loro di convalidare la rilevanza statistica delle correlazioni osservate, confermando che i due qubit erano soggetti a un rumore fortemente correlato.

'Abbiamo osservato forti correlazioni di rumore tra i qubit di silicio, con una forza di correlazione fino a 0,7 a certe frequenze', ha detto Yoneda. 'È improbabile che tali correlazioni dovute al rumore elettrico decadano rapidamente con la distanza, quindi ora siamo ben consapevoli che la correlazione degli errori deve essere affrontata seriamente in matrici di qubit densi in silicio. Abbiamo anche dimostrato che l'analisi della correlazione del rumore fornisce nuove intuizioni sulla fonte del rumore del qubit'.

I metodi statistici utilizzati da questo team di ricercatori sono unici e potenti, poiché, a differenza degli approcci convenzionali, non richiedono alcuna conoscenza preventiva dello spettro di auto (ad esempio, 1/f) per valutare e quantificare il rumore del qubit. Nel complesso, i risultati di questo recente lavoro confermano le sfide associate alla correlazione del rumore tra qubit di silicio situati vicini, evidenziando la necessità di ideare nuovi approcci per sopprimere o mitigare il rumore nei computer quantistici basati su semiconduttori.

'La nostra futura ricerca includerà l'indagine su quanto si estende la correlazione in una matrice di qubit, sfruttando i metodi di inclusione delle correlazioni incrociate nell'analisi del rumore che abbiamo qui sperimentato per la prima volta', ha aggiunto Yoneda. 'Questa è una domanda critica per quanto riguarda la tolleranza agli errori, nonché la comprensione della fonte del rumore'.

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

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