Los fotones que se intercambian rápidamente crean una puerta cuántica de alta calidad – Physics World

Las computadoras cuánticas podrían revolucionar la ciencia, pero los bits cuánticos (qubits) que utilizan son frágiles. Por lo tanto, ser capaz de manipular estos qubits rápidamente, antes de que las interacciones con su entorno provoquen que la información cuántica que contienen se desintegre, es crucial para los cálculos cuánticos.

Una forma prometedora de almacenar un bit cuántico es codificarlo en niveles discretos de energía de la luz dentro de un resonador cuántico, como una cavidad superconductora. Sin embargo, manipular múltiples cavidades de este tipo puede resultar un desafío debido a interacciones espurias o canales de error adicionales que afectan la información cuántica almacenada. Investigadores de la Instituto Cuántico de Yale En los EE. UU. han encontrado ahora una solución parcial a este problema diseñando un sistema que pasa rápidamente fotones de una cavidad a otra sin dañar los estados cuánticos de los fotones. Este resultado es un paso esencial hacia puertas cuánticas rápidas y de alta calidad para computadoras cuánticas basadas en resonadores.

Ingeniería de una interacción entre haz y divisor utilizando un CARACOL

En el estudio, que se publica en PRX cuántico, investigadores en El laboratorio de Robert Schoelkopf en Yale utilizó un elemento de acoplamiento llamado SNAIL (elemento inductivo asimétrico no lineal superconductor) para mediar en una interacción de intercambio entre dos cavidades de microondas superconductoras. Al sintonizar el CARACOL usando un campo magnético externo, suprimieron las interacciones espurias entre las dos cavidades, dejando solo la llamada "divisor de haz” interacción. De manera similar a la óptica lineal en la que un haz de luz se puede dividir en dos usando (por ejemplo) un espejo semitransparente, esta interacción permite que las dos cavidades intercambien excitaciones en una proporción de 50:50 durante un tiempo de interacción específico.

Para demostrar esto, los investigadores inicializaron un resonador con un solo fotón, dejando el otro resonador en el vacío. Cuando sintonizaron el acoplador SNAIL al régimen de trabajo óptimo, observaron que las dos cavidades intercambiaban el fotón entre ellas 500 veces antes de que el sistema se descohesionara (es decir, perdiera su naturaleza cuántica debido a interacciones residuales con el medio ambiente), con un tiempo de sólo 250 nanosegundos por intercambio.

Uno de los objetivos de los investigadores era que los resonadores intercambien fotones rápidamente cuando el acoplamiento está activado, garantizando al mismo tiempo que las cavidades no interactúen cuando la interacción está desactivada, evitando así efectos perjudiciales sobre la información cuántica almacenada. Con este fin, los investigadores midieron la velocidad a la que se intercambian los fotones en relación con la interacción más destacada entre períodos que no interactúan. Descubrieron que el valor de esta relación on-off excedía el 10⁵, lo que indica interacciones mínimas no deseadas causadas por el elemento de acoplamiento.

"El acoplador SNAIL presentado en este trabajo permite una interacción rápida del divisor de haz entre qubits codificados en cavidades adyacentes, al tiempo que suprime tanto las interacciones que podrían degradar la coherencia de los qubits como las que inducen acoplamientos no deseados entre los qubits", explica Stijn de Graaf, un Estudiante de doctorado en Yale y uno de los autores del estudio. Ambos efectos, añade, “en última instancia limitaron los enfoques anteriores”.

Intercambio controlado de fotones con un qubit

Como primera aplicación de su nueva configuración, los investigadores implementaron una operación de intercambio de las dos cavidades que puede controlarse mediante un qubit conectado a uno de los resonadores. Si este qubit de control está en el estado fundamental, no se intercambian fotones entre las dos cavidades, pero si el qubit de control se excita, los estados en las cavidades cambian de lugar.

Esta llamada operación SWAP controlada es una puerta crucial para las implementaciones cuánticas de la memoria cuántica de acceso aleatorio (QRAM) y muchos algoritmos cuánticos. Al preparar el qubit de control en una superposición igual entre sus dos niveles de energía, el equipo también creó un estado de Bell, un estado entrelazado al máximo en las dos cavidades que se puede generar a partir de una superposición igual de estados intercambiados y no intercambiados en las cavidades.

Aplicación a qubits de doble carril

Los investigadores esperan que otros utilicen sus hallazgos para diseñar familias de puertas detectables por errores en qubits codificados en los niveles de energía de resonadores cuánticos. Estos llamados códigos bosónicos muestran un gran potencial para implementar una corrección de errores cuánticos eficiente en el hardware, que es crucial para el desarrollo de computadoras cuánticas a gran escala.

Los resonadores de silicio superan la prueba de Bell de entrelazamiento cuántico

En el corto plazo, de Graaf dice que el objetivo principal del equipo es utilizar la herramienta que tienen para implementar uno de los componentes clave de la nueva propuesta. qubit superconductor de doble carril. Este tipo de qubit utiliza un único fotón almacenado en una de dos cavidades de microondas como estado lógico y permite detectar y marcar errores específicos. Un error puede entonces solucionarse más adelante en el cálculo cuántico. Si los errores se pueden detectar con una eficiencia muy alta, la computación cuántica escalable podría ser posible sin la necesidad de una corrección activa de errores. La rápida interacción entre el divisor de haz y el divisor presentada en este trabajo es, por lo tanto, un componente esencial para detectar la pérdida de fotones individuales en el qubit de doble carril, que actualmente es la fuente más importante de errores en esta plataforma de hardware.

Sin embargo, llegar allí requerirá algunas mejoras técnicas. "No hay duda de que querremos seguir aumentando la fidelidad de todas las operaciones de este plan", afirma de Graaf. "Esto permitirá tasas de error lo más por debajo posible de los umbrales de corrección de errores cuánticos y, por lo tanto, nos permitirá reducir drásticamente la cantidad de qubits necesarios para una computadora cuántica tolerante a fallas".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/rapidly-swapping-photons-make-a-high-quality-quantum-gate/