Cat qubits når et nyt niveau af stabilitet – Physics World

Cat qubits når et nyt niveau af stabilitet – Physics World

Tidsstempel: 5. marts 2024 kl. 10:02


Foto af en rektangulær chip holdt i en pincet af en persons blåhandskede hånd
Kat på en chip: Fotografi af en chip udviklet hos Alice og Bob, der ligner dem, der blev brugt i eksperimenterne. (Med høflighed: Alice og Bob/Nil Hoppenot)

Kvantecomputere kunne overgå konventionel databehandling i væsentlige opgaver, men de er tilbøjelige til fejl, der i sidste ende fører til tab af kvanteinformation, hvilket begrænser nutidens kvanteenheder. For at opnå storskala kvanteinformationsprocessorer er forskere derfor nødt til at udvikle og implementere strategier til at korrigere kvantefejl.

Forskere ved det Paris-baserede kvantecomputerfirma Alice og Bob, har nu sammen med kolleger ved Frankrigs ENS–PSL og ENS de Lyon gjort betydelige fremskridt hen imod en løsning ved at øge stabiliteten og kontrollen af ​​såkaldte katte qubits. Opkaldt efter Erwin Schrödingers berømte tankeeksperiment bruger disse kvantebits sammenhængende tilstande af en kvanteresonator som deres logiske tilstande. Cat qubits er lovende for kvantefejlkorrektion, fordi de er konstrueret ud fra sammenhængende tilstande, som gør dem iboende robuste over for visse typer fejl fra miljøet.

En ny måleprotokol

Kvantebit lider af to typer fejl: fase-flips og bit-flips. I kvanteberegning er et bitflip en fejl, der ændrer tilstanden af ​​en qubit fra |0⟩ til |1⟩ eller omvendt, analogt med at vende en klassisk bit fra 0 til 1. Et phase flip er på den anden side en fejl, der ændrer den relative fase mellem |0⟩ og |1⟩ komponenterne i en qubits superpositionstilstand. Cat qubits kan stabiliseres mod bit-flip fejl ved at koble qubit til et miljø, der fortrinsvis udveksler par af fotoner med systemet. Dette modvirker autonomt virkningerne af nogle fejl, der genererer bit-flips, og sikrer, at kvantetilstanden forbliver inden for det ønskede fejlkorrigerede underrum. Udfordringen med kvantefejlkorrektion handler imidlertid ikke kun om at stabilisere qubits. Det handler også om at kontrollere dem uden at bryde de mekanismer, der holder dem stabile.

Foto af kredsløbsdesignet
Kattekobling: Fotografi af kredsløbsdesignet beskrevet i det første papir. En superledende resonator, der hoster cat qubit-tilstanden (blå) kobles til en tabsgivende hjælpe-/buffertilstand (rød). Par af fotoner fra hukommelsen konverteres til bufferfotoner ved at pumpe det ikke-lineære element (hvid) gennem to linjer (gul). (Med høflighed: Réglade, Bocquet et al., Quantum control of a cat-qubit med bit-flip-tider, der overstiger ti sekunder, https://arxiv.org/abs/2307.06617)

In den første af et par undersøgelser udgivet på arXiv preprint-server, og endnu ikke peer-reviewed, fandt forskere hos Alice & Bob, ENS-PSL og ENS de Lyon en måde at øge bit-flip-tiden til mere end 10 sekunder – fire størrelsesordener længere end tidligere cat-qubit-implementeringer – mens du stadig kontrollerer kattens qubit fuldt ud. De opnåede dette ved at introducere en udlæsningsprotokol, der ikke kompromitterer bit-flip-beskyttelsen i deres cat qubit, som består af en kvantesuperposition af to klassiske kvantetilstande fanget i en superledende kvanteresonator på en chip. Det er afgørende, at det nye måleskema, de udtænkte til at udlæse og kontrollere disse qubit-tilstande, ikke er afhængigt af yderligere fysiske kontrolelementer, som tidligere begrænsede de opnåelige bit-flip-tider.

Tidligere eksperimentdesign brugte en superledende transmon - et to-niveau kvanteelement - til at kontrollere og udlæse tilstanden af ​​cat qubit. Her udtænkte forskerne et nyt udlæsnings- og kontrolskema, der bruger den samme hjælperesonator, der giver to-foton-stabiliseringsmekanismen til katte-qubitten. Som en del af dette skema implementerede de en såkaldt holonomisk gate, der transformerer pariteten af ​​kvantetilstanden til antallet af fotoner i resonatoren. Fotontalspariteten er en karakteristisk egenskab for cat qubit: en lige stor overlejring af de to sammenhængende tilstande indeholder kun superpositioner af lige fotontal, hvorimod den samme superposition men med et minustegn kun indeholder overlejringer af ulige fotontal. Pariteten giver derfor information om, hvilken tilstand kvantesystemet er i.

Redesign af stabiliseringen af ​​cat qubits

Alice & Bob-teamet forberedte og afbildede kvantesuperpositionstilstande, mens de også kontrollerede fasen af ​​disse superpositioner og bibeholdt en bit-flip-tid på over 10 sekunder og en fase-flip-tid længere end 490 ns. Fuldstændig realisering af en storstilet fejlkorrigeret kvantecomputer baseret på cat-qubits vil dog kræve ikke kun god kontrol og hurtig udlæsning, men også et middel til at sikre, at cat-qubit'en forbliver stabil længe nok til at udføre beregninger. Forskere fra Alice & Bob og ENS de Lyon adresserede denne vigtige og udfordrende opgave i anden undersøgelse.

For at realisere en stabiliseret kat-qubit kan systemet drives af en to-foton-proces, der injicerer par af fotoner, mens der kun spredes to fotoner på én gang. Dette gøres sædvanligvis ved at koble cat qubit til en hjælperesonator og pumpe et element kaldet en asymmetrisk gevind-SQUID (ATS) med præcist indstillede mikrobølgeimpulser. Denne tilgang indebærer imidlertid betydelige ulemper, såsom varmeopbygning, aktivering af uønskede processer og nødvendigheden af ​​omfangsrig mikrobølgeelektronik.

Diagram over kredsløbsdesign
Forlængelse af bitvendingstider: Kredsløbsdesign fra det andet papir. I stedet for det traditionelle fire-bølge blandingselement (a), der pumpes til at konvertere par af fotoner fra cat qubit-resonatoren (grøn) til bufferfotoner (blå), realiserer Alice og Bob/ENS de Lyon-teamet her en kobling med en tre- bølgeblandingselement (b). Skemaet af kredsløbet, inklusive tre-bølge-blandingselementet, er vist i (c), og et fotografi af chippen i (d). (Med høflighed: Marquet et al., Autoparametrisk resonans, der forlænger bit-flip-tiden for en kat-qubit op til 0.3 s, https://arxiv.org/abs/2307.06761)

For at afbøde disse problemer redesignede forskerne to-foton-dissipationsmekanismen, så den ikke kræver sådan en ekstra pumpe. I stedet for en ATS implementerede de cat qubit i en superledende oscillatortilstand koblet til en tabsgivende hjælpetilstand via et ikke-lineært element bestående af flere Josephson-forbindelser. Josephson-elementet fungerer som en "mixer", der gør det muligt nøjagtigt at matche energien af ​​to cat qubit-fotoner til energien af ​​en foton i hjælperesonatoren. Som et resultat, i denne såkaldte autoparametriske proces, omdannes par af fotoner i cat qubit-resonatoren til en enkelt foton i buffertilstanden uden behov for yderligere mikrobølgepumpe.

Foto af Alice og Bobs chip, holdt med en pincet i en persons behandskede hånd mod en sort baggrund
Robust mod bit-flip-fejl: Endnu et syn på Alice og Bob-chippen. (Med høflighed: Alice & Bob/Nil Hoppenot)

Ved at designe et superledende kredsløb med en symmetrisk struktur var holdet i stand til at koble en højkvalitetsresonator med en lavkvalitetsresonator gennem det samme Josephson-element. De øgede derved to-foton-dissipationshastigheden med en faktor på 10 sammenlignet med tidligere resultater, med en bit-flip-tid, der nærmer sig et sekund - i dette tilfælde begrænset af transmonen. En høj to-foton-dissipationshastighed er nødvendig for hurtig qubit-manipulation og korte fejlkorrektionscyklusser. Disse er afgørende for at korrigere de resterende fase-flip-fejl i en gentagelseskode af cat-qubits.

Fremtidige applikationer med cat qubits

Gerhard Kirchmair, en fysiker ved Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck, Østrig, som ikke var involveret i nogen af ​​undersøgelserne, siger, at begge værker beskriver vigtige skridt hen imod at realisere en fuldstændig fejlkorrigeret qubit. "Dette er de næste skridt mod fuldgyldig fejlkorrektion," siger Kirchmair. "De demonstrerer klart, at det er muligt at opnå eksponentiel beskyttelse mod bitflip i disse systemer, hvilket viser, at denne tilgang er levedygtig til at realisere fuld kvantefejlskorrektion."

Forskerne erkender, at der stadig er betydelige forhindringer. Fordi nøjagtigheden af ​​udlæsningen ved hjælp af den holonomiske gate-protokol var ret begrænset, ønsker de at finde måder at forbedre den på. At demonstrere porte, der involverer flere katte-qubits, og kontrollere, om den iboende bit-flip-beskyttelse forbliver, vil være et andet vigtigt skridt. Med den nye autoparametriske enhedsopsætning til at udveksle fotonerpar, forventer Alice & Bobs medstifter Raphaël Lescanne desuden at være i stand til at stabilisere en kat-qubit ved hjælp af fire forskellige sammenhængende tilstande i stedet for kun to. "Vores mål er at bruge den hidtil usete ikke-lineære koblingsstyrke til at stabilisere en fire-komponent cat-qubit, hvilket ville tilbyde on-site fase-flip-fejlbeskyttelse sammen med bit-flip-fejlbeskyttelse,” siger Lescanne.

Kirchmair mener, at disse resultater baner vejen for mere komplicerede fejlkorrektionsskemaer, der er afhængige af disse stærkt støj-forspændte qubits, hvor bit-flip-hastigheden er meget lavere end den resterende fase-flip-hastighed. "De næste trin vil være at skalere dette system til også at korrigere for fasevendinger og dermed realisere en fuldstændig fejlkorrigeret qubit," fortæller Kirchmair Fysik verden. "Man kunne endda forestille sig at kombinere begge tilgange i ét system for at få det bedste ud af begge resultater og forbedre bitflip-tiderne endnu mere."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden