Gli effetti collaterali della correzione degli errori quantistici e come affrontarli

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La dinamica di un sensore quantistico. Errori come il rumore provocano un dumping del segnale rispetto al caso ideale. La correzione dell’errore quantistico recupera parti sostanziali della potenza del segnale persa, ma sposta anche la frequenza di rilevamento, portando all’accumulo progressivo di una distorsione (mostrata come barre grigie). Adattato da Rojkov et al. Phys. Rev. lett. 128, 140503 (2022).

È ben noto che la correzione dell’errore quantistico può migliorare le prestazioni dei sensori quantistici. Ma il nuovo lavoro teorico avverte che, inaspettatamente, l’approccio può anche dare origine a risultati imprecisi e fuorvianti e mostra come correggere queste carenze.

I sistemi quantistici possono interagire tra loro e con l’ambiente circostante in modi fondamentalmente diversi da quelli delle loro controparti classiche. In un sensore quantistico, le proprietà di queste interazioni vengono sfruttate per ottenere informazioni caratteristiche sull’ambiente del sistema quantistico, ad esempio l’intensità di un campo magnetico ed elettrico in cui è immerso. Fondamentalmente, quando un tale dispositivo sfrutta adeguatamente le leggi della meccanica quantistica, la sua sensibilità può superare ciò che è possibile, anche in linea di principio, con le tecnologie classiche convenzionali.

Sfortunatamente, i sensori quantistici sono estremamente sensibili non solo alle quantità fisiche di interesse, ma anche al rumore. Un modo per sopprimere questi contributi indesiderati consiste nell’applicare schemi noti collettivamente come correzione degli errori quantistici (QEC). Questo approccio sta attirando un’attenzione considerevole e crescente, in quanto potrebbe consentire sensori quantistici pratici ad alta precisione in una gamma più ampia di applicazioni di quanto sia possibile oggi. Ma i vantaggi del rilevamento quantistico con correzione degli errori comportano importanti potenziali effetti collaterali, come ha scoperto ora un team guidato da Florentin Reiter, un membro di Ambizione della Fondazione nazionale svizzera per la scienza che lavora nel gruppo di Jonathan Home presso l’Institute for Quantum Electronics. . scrivendo Lettere di revisione fisica, riportano un lavoro teorico in cui mostrano che in contesti realistici il QEC può distorcere l’output dei sensori quantistici e potrebbe persino portare a risultati non fisici. Ma non tutto è perduto; i ricercatori descrivono anche le procedure su come ripristinare i risultati corretti.

andando alla deriva

Applicando la QEC al rilevamento quantistico, gli errori vengono corretti ripetutamente quando il sensore acquisisce informazioni sulla quantità target. Per analogia, immagina un’auto che continua a partire dal centro della corsia in cui viaggia. Nel caso ideale, la deriva viene corretta da un controsterzo costante. Nello scenario equivalente per il rilevamento quantistico, è stato dimostrato che con una correzione degli errori costante o molto frequente, gli effetti dannosi del rumore possono essere soppressi completamente, almeno in linea di principio. Ben diversa è la storia quando, per ragioni pratiche, il guidatore può effettuare interventi correttivi al volante solo in determinati momenti. Poi, come ci insegna l’esperienza, la sequenza di guida in avanti e di fare i movimenti correttivi deve essere messa a punto con precisione. Se la sequenza non contava, l’automobilista poteva semplicemente eseguire tutte le manovre di sterzata a casa nel garage e poi premere con sicurezza il piede sull’acceleratore. Il motivo per cui questo non funziona è che la rotazione e la traslazione non sono commutative: l’ordine in cui vengono eseguite le azioni di un tipo o dell’altro cambia il risultato.

Per i sensori quantistici, può verificarsi una situazione in qualche modo simile con azioni senza pendolarismo, in particolare per l'”azione di rilevamento” e l'”azione di errore”. Il primo è descritto dall’operatore Hamiltoniano del sensore, il secondo da operatori di errore. Ora, Ivan Rojkov, un ricercatore di dottorato che lavora all’ETH con Reiter e con i collaboratori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha scoperto che l’uscita del sensore subisce una distorsione sistematica, o “deriva”, quando c’è un ritardo tra un errore e la sua successiva correzione. A seconda della lunghezza di questo tempo di ritardo, la dinamica del sistema quantistico, che idealmente dovrebbe essere governata dal solo operatore hamiltoniano, viene contaminata dall’interferenza degli operatori di errore. Il risultato è che durante il ritardo il sensore acquisisce tipicamente meno informazioni sulla quantità di interesse, come un campo magnetico o elettrico, rispetto a una situazione in cui non si è verificato alcun errore. Queste diverse velocità nell’acquisizione delle informazioni provocano quindi una distorsione dell’output.

sensing sensuale

Questa distorsione indotta da QEC è importante. Se non contabilizzate, ad esempio, le stime per il segnale minimo che il sensore quantistico può rilevare potrebbero finire per essere eccessivamente ottimistiche, come Rojkov et al. mostrare. Per gli esperimenti che spingono i limiti della precisione, tali stime errate sono particolarmente ingannevoli. Ma la squadra fornisce anche una via di fuga per superare il pregiudizio. La quantità di bias introdotta dal QEC a velocità finita può essere calcolata e, attraverso misure appropriate, può essere rettificata in post-elaborazione, in modo che l’uscita del sensore abbia di nuovo perfettamente senso. Inoltre, tenere conto del fatto che il QEC può dar luogo a cambiamenti sistematici può aiutare a ideare il protocollo di rilevamento ideale prima della misurazione.

Dato che l’effetto identificato in questo lavoro è presente in vari schemi comuni di rilevamento quantistico con correzione degli errori, questi risultati sono impostati per fornire un contributo importante per ottimizzare la massima precisione da un’ampia gamma o sensori quantistici e mantenerli sulla buona strada per fornire sulla loro promessa di condurci a regimi che non possono essere esplorati con i sensori classici.


I sistemi quantistici si correggono da soli


Maggiori informazioni:
Ivan Rojkov et al, Bias in Quantum Sensing con correzione di errori, Lettere di revisione fisica (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.140503

Citazione: Gli effetti collaterali della correzione degli errori quantistici e come affrontarli (2022, 6 aprile) recuperati il ​​7 aprile 2022 da https://phys.org/news/2022-04-side-effects-quantum-error-cope.html

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