Osservazione sperimentale senza postselezione della transizione di fase indotta da misurazioni in circuiti con porte universali

Osservare l’informazione quantistica che cambia idea

I moderni computer quantistici promettono salti giganteschi nella potenza di calcolo, ma sono estremamente sensibili a misurazioni e rumore. Questo articolo esplora un tipo singolare di “cambiamento di fase” nel modo in cui l’informazione quantistica si propaga e poi collassa improvvisamente se la si osserva troppo spesso. Gli autori non si limitano a descrivere questa transizione in teoria, ma mostrano anche come osservarla in modo pulito sull’hardware disponibile oggi, senza il filtraggio massiccio dei dati che ha frenato esperimenti precedenti.

Due comportamenti in competizione nel mondo quantistico

Quando molti qubit evolvono insieme, tipicamente diventano altamente entangled: l’informazione su un singolo qubit si disperde sull’intero dispositivo. Ma se si misurano ripetutamente i qubit durante l’evoluzione, tali misurazioni tendono a collassare lo stato quantistico ed eliminare l’entanglement. La teoria recente prevede una lotta tra queste due tendenze. A bassi tassi di misurazione, il sistema finisce in una «fase entangliante», in cui l’informazione è distribuita in modo non locale. Oltre una certa soglia, invece, passa in una «fase disentangliante», in cui le misurazioni dominano e lo stato del sistema diventa praticamente noto. Questo cambiamento netto di comportamento è chiamato transizione di fase indotta da misurazioni.

Perché la postselezione è stata un ostacolo

Rilevare questa transizione in laboratorio è stato notoriamente difficile. Le firme più dirette coinvolgono grandezze non lineari come l’entropia di entanglement o la purezza, che dipendono dallo stato quantistico completo, non solo da semplici medie dei risultati delle misurazioni. Per stimare tali proprietà, di solito è necessario «postselezionare» le esecuzioni dell’esperimento che condividono una specifica stringa di risultati di misurazioni intermedie. Poiché quei risultati sono casuali, il numero di esecuzioni richieste cresce esponenzialmente con la dimensione del sistema. Gli esperimenti hanno o accettato questo costo elevato, oppure sono rimasti su sistemi molto piccoli, oppure si sono limitati a insiemi particolari di porte più facili da simulare su un computer classico.

Circuiti a forma di albero come scorciatoia intelligente

Gli autori superano questo collo di bottiglia cambiando l’architettura del circuito quantistico. Invece di disporre i qubit su una linea o una griglia, usano una struttura ad albero: partendo da un singolo qubit «radice» (inizialmente entangled con una sonda), aggiungono ripetutamente nuovi qubit e li entanglano in uno schema ramificato. Dopo ogni passo di entanglement, eseguono misurazioni delicate, o «deboli», sui qubit. L’intensità di queste misurazioni può essere regolata continuamente da molto debole (poco disturbante) fino a effettivamente proiettiva (forte, che collassa completamente). Crucialmente, la struttura ricorsiva dell’albero permette di elaborare tutti i risultati delle misurazioni registrati con un algoritmo classico il cui costo cresce solo linearmente con il numero di qubit, invece che esponenzialmente.

Seguire un singolo qubit attraverso la foresta

Invece di ricostruire l’intero stato multiqubit, gli autori tracciano quanta incertezza rimane su un qubit speciale che inizialmente è entangled con il resto. Nella rappresentazione ad albero, questo si può formulare come quanto bene si può prevedere lo stato iniziale del qubit radice soltanto a partire dal registro di tutte le misurazioni deboli all’interno del circuito. Se la predizione rimane imperfetta anche per alberi molto profondi, il sistema è nella fase entangliante. Se, oltre una certa intensità di misurazione, lo stato della radice può essere praticamente ricostruito, il sistema è entrato nella fase disentangliante, o «purificata». Il gruppo definisce una semplice quantità numerica che cattura questa prevedibilità e mostra che essa si comporta come un normale parametro d’ordine nelle transizioni di fase più familiari, passando da un valore non nullo a praticamente zero a una forza critica di misurazione.

Dalla teoria a un dispositivo quantistico funzionante

I ricercatori implementano il loro protocollo a circuito ad albero sul computer quantistico a ioni intrappolati H1-1 di Quantinuum, usando fino a quattro livelli dell’albero. Scelgono porte single-qubit generiche, pescate casualmente—così la dinamica non è artificialmente semplificata—and misurazioni deboli realizzate con le interazioni native della macchina. Con un numero modesto di circuiti casuali e ripetute misure, stimano il parametro d’ordine per diverse profondità dell’albero e intensità di misurazione. I loro dati seguono da vicino le predizioni teoriche dettagliate e le simulazioni classiche su larga scala, tutto senza alcuna mitigazione degli errori, dimostrando che la transizione può essere risolta con chiarezza sui dispositivi rumorosi di oggi.

Cosa significa per le tecnologie quantistiche future

Per un non specialista, il messaggio chiave è che esistono due regimi distinti del comportamento dell’informazione nei sistemi quantistici monitorati: uno in cui rimane diffusa e difficile da raggiungere, e un altro in cui la misurazione continua la rende netta e locale. Questo lavoro mostra che il confine tra questi regimi—la transizione di fase indotta da misurazioni—può essere osservato sperimentalmente senza filtraggi eccessivi dei dati o set di porte ristretti, a patto di usare un’architettura a circuito ad albero e la giusta strategia di decodifica. Questo rende i modelli basati su alberi preziosi banchi di prova per comprendere come misurazione, rumore e flusso di informazioni modelleranno le prestazioni e il progetto delle tecnologie quantistiche di domani.

Citazione: Feng, X., Côté, J., Kourtis, S. et al. Postselection-free experimental observation of the measurement-induced phase transition in circuits with universal gates. Commun Phys 9, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02443-0

Parole chiave: transizione di fase indotta da misurazioni, circuiti quantistici, entanglement, computer quantistico a ioni intrappolati, correzione degli errori quantistici