Τα qubits της γάτας φτάνουν σε ένα νέο επίπεδο σταθερότητας - Physics World

Τα qubits της γάτας φτάνουν σε ένα νέο επίπεδο σταθερότητας - Physics World

Χρονική σήμανση: 5 Μαρτίου 2024 10:02 π.μ.


Φωτογραφία ενός ορθογώνιου τσιπ που κρατιέται σε ένα τσιμπιδάκι από το χέρι ενός ατόμου με μπλε γάντια
Cat on a chip: Φωτογραφία ενός τσιπ που αναπτύχθηκε στην Alice and Bob που είναι παρόμοιο με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα. (Ευγενική προσφορά: Alice and Bob/Nil Hoppenot)

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τους συμβατικούς υπολογιστές σε βασικές εργασίες, αλλά είναι επιρρεπείς σε σφάλματα που τελικά οδηγούν σε απώλεια κβαντικών πληροφοριών, περιορίζοντας τις σημερινές κβαντικές συσκευές. Επομένως, για να επιτύχουν μεγάλης κλίμακας κβαντικούς επεξεργαστές πληροφοριών, οι επιστήμονες πρέπει να αναπτύξουν και να εφαρμόσουν στρατηγικές για τη διόρθωση των κβαντικών σφαλμάτων.

Ερευνητές στην εταιρεία κβαντικών υπολογιστών με έδρα το Παρίσι Αλίκη & Μπομπ, μαζί με τους συναδέλφους της ENS–PSL της Γαλλίας και της ENS de Lyon, έχουν τώρα κάνει σημαντικά βήματα προς μια λύση ενισχύοντας τη σταθερότητα και τον έλεγχο των λεγόμενων γάτα qubits. Ονομάστηκαν από το διάσημο πείραμα σκέψης του Erwin Schrödinger, αυτά τα κβαντικά bit χρησιμοποιούν συνεκτικές καταστάσεις ενός κβαντικού συντονιστή ως λογικές τους καταστάσεις. Τα qubit γάτας είναι πολλά υποσχόμενα για διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων επειδή κατασκευάζονται από συνεκτικές καταστάσεις, οι οποίες τα καθιστούν εγγενώς ανθεκτικά έναντι ορισμένων τύπων σφαλμάτων από το περιβάλλον.

Νέο πρωτόκολλο μέτρησης

Τα κβαντικά bit υποφέρουν από δύο τύπους σφαλμάτων: αναστροφή φάσης και αναστροφή bit. Στον κβαντικό υπολογισμό, ένα bit flip είναι ένα σφάλμα που αλλάζει την κατάσταση ενός qubit από |0⟩ σε |1⟩ ή αντίστροφα, ανάλογο με την αναστροφή ενός κλασικού bit από το 0 στο 1. Μια αναστροφή φάσης, από την άλλη πλευρά, είναι ένα σφάλμα που αλλάζει τη σχετική φάση μεταξύ των συνιστωσών |0⟩ και |1⟩ της κατάστασης υπέρθεσης ενός qubit. Τα qubit Cat μπορούν να σταθεροποιηθούν έναντι σφαλμάτων αναστροφής bit συνδέοντας το qubit σε ένα περιβάλλον που ανταλλάσσει κατά προτίμηση ζεύγη φωτονίων με το σύστημα. Αυτό εξουδετερώνει αυτόνομα τα αποτελέσματα ορισμένων σφαλμάτων που δημιουργούν ανατροπές bit και διασφαλίζει ότι η κβαντική κατάσταση παραμένει εντός του επιθυμητού υποχώρου που έχει διορθωθεί με σφάλματα. Ωστόσο, η πρόκληση της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων δεν αφορά μόνο τη σταθεροποίηση των qubits. Πρόκειται επίσης για τον έλεγχό τους χωρίς να σπάσουν οι μηχανισμοί που τα κρατούν σταθερά.

Φωτογραφία του σχεδιασμού του κυκλώματος
Σύζευξη γάτας: Φωτογραφία του σχεδιασμού του κυκλώματος που περιγράφεται στην πρώτη εργασία. Ένα υπεραγώγιμο αντηχείο που φιλοξενεί τη λειτουργία cat qubit (μπλε) ζευγαρώνει σε μια λειτουργία με απώλειες βοηθητικού/buffer (κόκκινο). Ζεύγη φωτονίων από τη μνήμη μετατρέπονται σε ρυθμιστικά φωτόνια αντλώντας το μη γραμμικό στοιχείο (λευκό) μέσω δύο γραμμών (κίτρινο). (Ευγενική προσφορά: Réglade, Bocquet et al., Quantum control of a cat-qubit με χρόνους αναστροφής bit που υπερβαίνουν τα δέκα δευτερόλεπτα, https://arxiv.org/abs/2307.06617)

In η πρώτη ενός ζεύγους μελετών που δημοσιεύτηκαν στο arXiv διακομιστής προεκτύπωσης, και δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, ερευνητές στο Alice & Bob, το ENS-PSL και το ENS de Lyon βρήκαν έναν τρόπο να αυξήσουν τον χρόνο αναστροφής bit σε περισσότερο από 10 δευτερόλεπτα – τέσσερις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από προηγούμενες υλοποιήσεις cat-qubit – ενώ εξακολουθεί να ελέγχετε πλήρως το qubit της γάτας. Αυτό το πέτυχαν εισάγοντας ένα πρωτόκολλο ανάγνωσης που δεν θέτει σε κίνδυνο την προστασία bit-flip στο cat qubit τους, το οποίο αποτελείται από μια κβαντική υπέρθεση δύο κλασικών κβαντικών καταστάσεων παγιδευμένων σε έναν υπεραγώγιμο κβαντικό συντονιστή σε ένα τσιπ. Είναι σημαντικό ότι το νέο σχήμα μέτρησης που επινόησαν για την ανάγνωση και τον έλεγχο αυτών των καταστάσεων qubit δεν βασίζεται σε πρόσθετα φυσικά στοιχεία ελέγχου, τα οποία προηγουμένως περιόριζαν τους επιτεύξιμους χρόνους αναστροφής bit.

Προηγούμενα σχέδια πειραμάτων χρησιμοποίησαν ένα υπεραγώγιμο transmon - ένα κβαντικό στοιχείο δύο επιπέδων - για τον έλεγχο και την ανάγνωση της κατάστασης του qubit της γάτας. Εδώ, οι ερευνητές επινόησαν ένα νέο σχήμα ανάγνωσης και ελέγχου που χρησιμοποιεί τον ίδιο βοηθητικό συντονιστή που παρέχει τον μηχανισμό σταθεροποίησης δύο φωτονίων για το qubit της γάτας. Ως μέρος αυτού του σχήματος, εφάρμοσαν μια αποκαλούμενη ολονομική πύλη που μετατρέπει την ισοτιμία της κβαντικής κατάστασης στον αριθμό των φωτονίων στον συντονιστή. Η ισοτιμία αριθμού φωτονίων είναι μια χαρακτηριστική ιδιότητα του qubit της γάτας: μια ίση υπέρθεση των δύο συνεκτικών καταστάσεων περιέχει μόνο υπερθέσεις ζυγών αριθμών φωτονίων, ενώ η ίδια υπέρθεση αλλά με πρόσημο μείον περιέχει μόνο υπερθέσεις περιττών αριθμών φωτονίων. Επομένως, η ισοτιμία παρέχει πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το κβαντικό σύστημα.

Επανασχεδιασμός της σταθεροποίησης των qubits γάτας

Η ομάδα Alice & Bob προετοίμασε και απεικόνισε καταστάσεις κβαντικής υπέρθεσης, ενώ παράλληλα έλεγχε τη φάση αυτών των υπερθέσεων και διατήρησε ένα χρόνο αναστροφής bit άνω των 10 δευτερολέπτων και ένα χρόνο αναστροφής φάσης μεγαλύτερο από 490 ns. Η πλήρης υλοποίηση ενός κβαντικού υπολογιστή μεγάλης κλίμακας με διορθωμένα σφάλματα βασισμένο σε qubits γάτας, ωστόσο, απαιτεί όχι μόνο καλό έλεγχο και γρήγορη ανάγνωση, αλλά και ένα μέσο για να διασφαλιστεί ότι το qubit της γάτας παραμένει σταθερό για αρκετό καιρό ώστε να εκτελούνται υπολογισμοί. Ερευνητές από το Alice & Bob και το ENS de Lyon ασχολήθηκαν με αυτό το σημαντικό και προκλητικό έργο στο δεύτερη μελέτη.

Για να πραγματοποιηθεί ένα σταθεροποιημένο qubit γάτας, το σύστημα μπορεί να οδηγηθεί από μια διαδικασία δύο φωτονίων που εγχέει ζεύγη φωτονίων ενώ διαχέει μόνο δύο φωτόνια ταυτόχρονα. Αυτό γίνεται συνήθως με τη σύζευξη του qubit της γάτας με έναν βοηθητικό συντονιστή και την άντληση ενός στοιχείου που ονομάζεται SQUID με ασύμμετρο σπείρωμα (ATS) με παλμούς μικροκυμάτων με ακρίβεια συντονισμού.. Αυτή η προσέγγιση, ωστόσο, παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα, όπως η συσσώρευση θερμότητας, η ενεργοποίηση ανεπιθύμητων διεργασιών και η αναγκαιότητα ογκωδών ηλεκτρονικών μικροκυμάτων.

Διάγραμμα σχεδίασης κυκλώματος
Επέκταση χρόνου αναστροφής bit: Σχεδίαση κυκλώματος από το δεύτερο χαρτί. Αντί για το παραδοσιακό στοιχείο ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων (α) που αντλείται για τη μετατροπή ζευγών φωτονίων του αντηχείου qubit γάτας (πράσινο) σε φωτόνια buffer (μπλε), εδώ η ομάδα Alice and Bob/ENS de Lyon συνειδητοποιεί μια σύζευξη με ένα στοιχείο ανάμειξης κυμάτων (β). Τα σχηματικά του κυκλώματος, συμπεριλαμβανομένου του στοιχείου ανάμειξης τριών κυμάτων, φαίνονται στο (γ) και μια φωτογραφία του τσιπ στο (δ). (Ευγενική προσφορά: Marquet et al., Autoparametric resonance που επεκτείνει τον χρόνο bit-flip ενός qubit γάτας έως και 0.3 s, https://arxiv.org/abs/2307.06761)

Για να μετριάσουν αυτά τα προβλήματα, οι ερευνητές επανασχεδίασαν τον μηχανισμό διάχυσης δύο φωτονίων έτσι ώστε να μην απαιτεί μια τέτοια πρόσθετη αντλία. Αντί για ένα ATS, εφάρμοσαν το qubit cat σε λειτουργία υπεραγώγιμου ταλαντωτή σε συνδυασμό με βοηθητικό τρόπο λειτουργίας με απώλειες μέσω ενός μη γραμμικού στοιχείου που αποτελείται από πολλαπλές συνδέσεις Josephson. Το στοιχείο Josephson χρησιμεύει ως «μίξερ» που καθιστά δυνατή την ακριβή αντιστοίχιση της ενέργειας δύο φωτονίων qubit γάτας με εκείνη ενός φωτονίου στον βοηθητικό συντονιστή. Ως αποτέλεσμα, σε αυτή τη λεγόμενη αυτοπαραμετρική διαδικασία, ζεύγη φωτονίων στον συντονιστή qubit cat μετατρέπονται σε ένα μόνο φωτόνιο της λειτουργίας buffer χωρίς την ανάγκη πρόσθετης αντλίας μικροκυμάτων.

Φωτογραφία του τσιπ της Αλίκης και του Μπομπ, που κρατιέται με τσιμπιδάκια στο χέρι ενός ατόμου με γάντια σε μαύρο φόντο
Ανθεκτικό έναντι σφαλμάτων αναστροφής bit: Μια άλλη άποψη του τσιπ Alice and Bob. (Ευγενική προσφορά: Alice & Bob/Nil Hoppenot)

Σχεδιάζοντας ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα με συμμετρική δομή, η ομάδα μπόρεσε να συνδέσει έναν αντηχείο υψηλής ποιότητας με έναν χαμηλής ποιότητας μέσω του ίδιου στοιχείου Josephson. Με τον τρόπο αυτό αύξησαν τον ρυθμό διασποράς των δύο φωτονίων κατά 10 σε σύγκριση με προηγούμενα αποτελέσματα, με ένα χρόνο αναστροφής bit που πλησιάζει το ένα δευτερόλεπτο – σε αυτή την περίπτωση περιορίζεται από το transmon. Απαιτείται υψηλός ρυθμός διασποράς δύο φωτονίων για γρήγορο χειρισμό qubit και σύντομους κύκλους διόρθωσης σφαλμάτων. Αυτά είναι ζωτικής σημασίας για τη διόρθωση των εναπομενόντων σφαλμάτων αναστροφής φάσης σε έναν κωδικό επανάληψης qubits γάτας.

Μελλοντικές εφαρμογές με qubits γάτας

Gerhard Kirchmair, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας στο Ίνσμπρουκ της Αυστρίας, ο οποίος δεν συμμετείχε σε καμία από τις δύο μελέτες, λέει ότι και τα δύο έργα περιγράφουν σημαντικά βήματα προς την υλοποίηση ενός qubit πλήρως διορθωμένου με σφάλματα. "Αυτά είναι τα επόμενα βήματα προς την πλήρη διόρθωση σφαλμάτων", λέει ο Kirchmair. «Αποδεικνύουν ξεκάθαρα ότι είναι δυνατό να επιτευχθεί εκθετική προστασία από ανατροπές bit σε αυτά τα συστήματα, γεγονός που δείχνει ότι αυτή η προσέγγιση είναι βιώσιμη για την πραγματοποίηση πλήρους διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων».

Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικά εμπόδια. Επειδή η ακρίβεια της ανάγνωσης χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο ολονομικής πύλης ήταν μάλλον περιορισμένη, θέλουν να βρουν τρόπους να τη βελτιώσουν. Η επίδειξη πυλών που περιλαμβάνουν πολλαπλά qubit γάτας και ο έλεγχος εάν παραμένει η εγγενής προστασία αντιστροφής bit θα είναι ένα άλλο σημαντικό βήμα. Επιπλέον, με τη ρύθμιση της νέας αυτοπαραμετρικής συσκευής για την ανταλλαγή ζευγών φωτονίων, ο συνιδρυτής της Alice & Bob, Raphaël Lescanne, αναμένει ότι θα μπορέσει να σταθεροποιήσει ένα qubit γάτας χρησιμοποιώντας τέσσερις διαφορετικές συνεκτικές καταστάσεις αντί για μόνο δύο. «Στόχος μας είναι να χρησιμοποιήσουμε την άνευ προηγουμένου δύναμη μη γραμμικής σύζευξης για να σταθεροποιήσουμε ένα cat-qubit τεσσάρων συστατικών, το οποίο θα προσφέρει στο χώρο Προστασία σφαλμάτων αναστροφής φάσης μαζί με προστασία σφαλμάτων αναστροφής bit», λέει ο Lescanne.

Ο Kirchmair πιστεύει ότι αυτά τα αποτελέσματα ανοίγουν το δρόμο για πιο περίπλοκα σχήματα διόρθωσης σφαλμάτων που βασίζονται σε αυτά τα qubits με έντονο θόρυβο, όπου ο ρυθμός αναστροφής bit είναι πολύ χαμηλότερος από τον υπόλοιπο ρυθμό αναστροφής φάσης. "Τα επόμενα βήματα θα είναι η κλιμάκωση αυτού του συστήματος ώστε να διορθώνει και τις αναστροφές φάσης, πραγματοποιώντας έτσι ένα qubit πλήρως διορθωμένο με σφάλματα", λέει ο Kirchmair. Κόσμος Φυσικής. «Θα μπορούσε κανείς να φανταστεί ακόμη και να συνδυάσει και τις δύο προσεγγίσεις σε ένα σύστημα για να αξιοποιήσει στο έπακρο και τα δύο αποτελέσματα και να βελτιώσει ακόμη περισσότερο τους χρόνους αναστροφής του bit».

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής