Neuartiges supraleitendes Hohlraum-Qubit verschiebt die Grenzen der Quantenkohärenz – Physics World

Im Laufe der Geschichte des Quantencomputings hat sich die Kohärenzzeit supraleitender Qubits – also die Zeit, in der sie ihre Quanteninformation behalten – drastisch verbessert. Eine wesentliche Verbesserung ergibt sich aus der Platzierung supraleitender Qubits in dreidimensionalen Mikrowellenresonatorhohlräumen, die den Zustand des Qubits bewahren, indem sie ihn in im Hohlraum gespeicherten Photonen kodieren.

In einer aktuellen Studie haben Forscher des israelischen Weizmann Institute of Science die Grenzen dieser Methode erweitert, indem sie einen neuartigen dreidimensionalen Hohlraum-Qubit-Aufbau mit einer Einzelphotonen-Kohärenzzeit von 34 Millisekunden (ms) demonstrierten. Eine lange Kohärenzzeit ist der Schlüssel zum Erreichen fehlerarmer Qubit-Operationen (wodurch die für die Fehlertoleranz erforderliche Hardware reduziert wird), und die neue Kohärenzzeit übertrifft den bisherigen Rekord um mehr als eine Größenordnung.

Qubits reagieren sehr empfindlich auf ihre Umgebung und verlieren aufgrund von Rauschen leicht Informationen. Um die Zustände von Qubits länger aufrechtzuerhalten, verwendeten Forscher Mikrowellenresonatorhohlräume als eine Art Speichergerät. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei diesen Hohlräumen um dreidimensionale Strukturen, die einen Hohlraum zur Aufnahme eines supraleitenden Transmon-Qubit-Chips und der damit interagierenden Mikrowellenphotonen umfassen. Durch einen Kodierungsprozess unter Anwendung spezifischer Mikrowellenpulse wird der Qubit-Zustand in den Hohlraumzustand überführt und dort gespeichert. Sobald die gewünschte Zeitspanne verstrichen ist, wird der Zustand abgerufen, indem er wieder in das Transmon kodiert wird. Der Hohlraum spielt somit eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und Messung des darin platzierten Qubits.

Für praktische Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung muss der Hohlraum in der Lage sein, den Quantenzustand über längere Zeiträume zu speichern. Aufgrund verschiedener externer Faktoren ist dies jedoch nicht einfach zu erreichen. Da es sich um die kleinsten Lichtteilchen handelt, lassen sich Photonen nur schwer einschließen und gehen leicht verloren. Störungen im Qubit-Chip im Hohlraum sind wesentliche Ursachen für Photonendämpfung und Dekohärenz. Die Bildung einer unerwünschten Oxidschicht auf der Oberfläche des Hohlraums verkürzt die Photonenlebensdauer weiter.

Entwicklung eines neuartigen Hohlraumdesigns

Unter der Leitung von Serge Rosenblum, Fabien Lafont, Ofir Milul, Barkay Guttel, Uri Goldblatt und Nitzan Kahn, der Weizmann Team hat diese Herausforderungen gemeistert, indem es einen verlustarmen supraleitenden Niob-Hohlraum entworfen hat, der ein langlebiges Einzelphotonen-Qubit unterstützt. Sie verwendeten hochreines Niob, um zwei separate Teile des Hohlraums herzustellen, und schweißten die Teile später zusammen, um zu verhindern, dass Photonen austreten. Außerdem entfernten sie Oxide und Oberflächenverunreinigungen durch chemisches Polieren der Kavität.

Die resultierende Struktur sieht ein wenig wie ein offener Regenschirm aus, mit einer halbelliptischen Geometrie, die sich dort, wo der Griff des Regenschirms wäre, in einen schmalen Wellenleiter entwickelt. Wie eine Satellitenschüsselantenne, deren gekrümmte Oberfläche Radiowellen in Richtung ihres Brennpunkts reflektiert, konzentriert die elliptische Struktur des Hohlraums das elektromagnetische Feld in der Mitte der flachen Oberfläche der anderen Hälfte des Hohlraums (siehe Bild).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence-physics-world.png" data-caption="Hohlraumaufbau Links: Diagramm des Transmon-Chips des Teams, der in den schmalen Wellenleiter eingesetzt ist und teilweise in den halbelliptischen supraleitenden Hohlraum hineinragt. Rechts: Ein Foto der beiden Hälften des Hohlraums vor dem Zusammenbau. (Mit freundlicher Genehmigung von Milul et al., „Superconducting Cavity Qubit with Tens of Milliseconds Single-Photon Coherence Time“, PRX Quantum 4 030336 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030336; Serge Rosenblum)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of -quantum-coherence-physics-world.png“>

Nachdem das Team den Hohlraum vorbereitet hatte, „bestand die größte Herausforderung darin, ein supraleitendes Transmon-Qubit in einen Hohlraum zu integrieren, ohne die Photonenlebensdauer des Hohlraums zu verkürzen“, sagt Rosenblum. „Das führt uns zurück zum berüchtigten Balanceakt in Quantensystemen zwischen Kontrollierbarkeit auf der einen und Isolation auf der anderen Seite.“

Die Forscher erreichten dieses Gleichgewicht, indem sie nur etwa 1 Millimeter des Transmon-Chips innerhalb des elliptischen Hohlraums platzierten, während der Rest im Wellenleiter untergebracht war. Diese Konfiguration minimiert durch Chips verursachte Verluste. Die begrenzte Einwirkung des Hohlraums auf den Chip schwächt jedoch die Wechselwirkung zwischen Hohlraum und Transmon, sodass die Forscher dies kompensierten, indem sie starke Mikrowellenimpulse anwendeten, um den Qubit-Zustand im Hohlraum zu kodieren.

Nutzung eines Hohlraums für Quantenspeicher und Quantenfehlerkorrektur

Dank dieses innovativen Hohlraumdesigns erreichten die Forscher eine Einzelphotonenlebensdauer von 25 ms und eine Kohärenzzeit von 34 ms. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber dem vorherigen hochmodernen Hohlraum, der eine Kohärenzzeit von etwa 2 ms aufwies.

Rosenblum und Kollegen demonstrierten außerdem eine Fehlerkorrekturmethode namens bosonische Quantenfehlerkorrektur, bei der die Informationen des Qubits redundant in mehreren Photonen gespeichert werden, die den Hohlraum besetzen (sogenannte Schrödinger-Katzenzustände). Dadurch bleibt der fragile Zustand des Qubits erhalten, indem es in vielen Hohlraumphotonen gespeichert wird, nicht nur in wenigen. Der Nachteil besteht darin, dass mit zunehmender Anzahl gespeicherter Photonen auch die Photonenverlustrate zunimmt. Trotz dieser Einschränkung erreichte das Weizmann-Team Schrödinger-Katzenzustände mit einer Größe von 1024 Photonen. Dies entspricht einer durchschnittlichen Anzahl von 256 Photonen, was zehnmal mehr ist als bei früheren Demonstrationen – ein bemerkenswerter Fortschritt, der die Leistung der bosonischen Quantenfehlerkorrektur verbessern könnte.

Mit einer Photonenlebensdauer, die um vier Größenordnungen länger ist als die für Gate-Operationen erforderliche Zeit, bietet dieser Durchbruch ausreichend Zeit für die Kontrolle des Qubits, bevor es Informationen verliert. Mit Blick auf die Zukunft sagt Rosenblum, dass das Ziel des Teams darin besteht, Quantenoperationen an diesen Hohlräumen mit beispielloser Genauigkeit bzw. Erfolgswahrscheinlichkeit durchzuführen. Insbesondere erwähnt er dies, nachdem die Studie veröffentlicht wurde PRX-QuantumDas Team hat die Einzelphotonenlebensdauer auf 60 ms mehr als verdoppelt, was auf erhebliches Potenzial für weitere Fortschritte hinweist.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/