Kasside kubiidid jõuavad stabiilsuse uuele tasemele – füüsikamaailm

Kvantarvutid võivad olulistes ülesannetes ületada tavapärast andmetöötlust, kuid need on altid vigadele, mis lõppkokkuvõttes viivad kvantteabe kadumiseni, piirates tänapäevaseid kvantseadmeid. Seetõttu peavad teadlased suuremahuliste kvantinfoprotsessorite saavutamiseks välja töötama ja rakendama kvantvigade parandamise strateegiaid.

Pariisis asuva kvantarvutite ettevõtte teadlased Alice ja Bob, koos kolleegidega Prantsusmaa ENS–PSL-ist ja ENS de Lyonist on nüüdseks teinud olulisi edusamme lahenduse poole, suurendades stabiilsust ja kontrolli nn. kassi kubiidid. Need kvantbitid, mis on nimetatud Erwin Schrödingeri kuulsa mõtteeksperimendi järgi, kasutavad oma loogiliste olekutena kvantresonaatori koherentseid olekuid. Kassi kubiidid on paljulubavad kvantvigade parandamiseks, kuna need on konstrueeritud koherentsetest olekutest, mis muudavad need olemuslikult vastupidavaks teatud tüüpi keskkonnast tulenevatele vigadele.

Uus mõõtmisprotokoll

Kvantbitid kannatavad kahte tüüpi vigade all: faasi- ja bitipöörded. Kvantarvutuses on bitivahetus viga, mis muudab kubiti oleku |0⟩-lt |1⟩-le või vastupidi, analoogselt klassikalise biti ümberpööramisega 0-lt 1-le. Faasivahetus on seevastu viga, mis muudab suhtelist faasi kubiti superpositsiooni oleku |0⟩ ja |1⟩ komponentide vahel. Kassi kubite saab stabiliseerida bitivahetusvigade vastu, ühendades kubiidi keskkonnaga, mis eelistatavalt vahetab süsteemiga footonipaare. See neutraliseerib autonoomselt mõnede bitivahetusi tekitavate vigade mõju ja tagab, et kvantolek jääb soovitud veaparandusega alamruumi. Kvantvigade parandamise väljakutse ei seisne aga ainult kubitite stabiliseerimises. See puudutab ka nende juhtimist ilma neid stabiilsena hoidvaid mehhanisme lõhkumata.

In 1. paarist uuringust, mis on postitatud arXiv Alice & Bobi, ENS-PSL-i ja ENS de Lyoni uurijad leidsid eeltrükiserveris, mida pole veel eelretsenseeritud, viisi, kuidas suurendada bitivahetusaega rohkem kui 10 sekundini – see on neli suurusjärku pikem kui varasemad cat-qubit-rakendused. – kontrollides siiski täielikult kassi kubiti. Nad saavutasid selle, võttes kasutusele lugemisprotokolli, mis ei ohusta nende kassi kubitis biti ümberpööramise kaitset, mis koosneb kahe klassikalise kvantseisundi kvantsuperpositsioonist, mis on lõksus kiibil asuvas ülijuhtivas kvantresonaatoris. Oluline on see, et nende kubiti olekute lugemiseks ja juhtimiseks välja töötatud uus mõõtmisskeem ei tugine täiendavatele füüsilistele juhtelementidele, mis varem piirasid saavutatavaid bitivahetusaegu.

Varasemates katseprojektides kasutati kassi kubiidi oleku kontrollimiseks ja lugemiseks ülijuhtivat transmoni – kahetasandilist kvantelementi. Siin töötasid teadlased välja uue lugemis- ja juhtimisskeemi, mis kasutab sama abiresonaatorit, mis tagab kassi kubiidi kahe fotoni stabiliseerimismehhanismi. Selle skeemi osana rakendasid nad nn holonoomilist väravat, mis muudab kvantoleku paarsuse resonaatoris olevate footonite arvuks. Footonite arvu paarsus on kassi kubiidi iseloomulik omadus: kahe koherentse oleku võrdne superpositsioon sisaldab ainult paaris footonite arvu superpositsioone, samas kui sama superpositsioon, kuid miinusmärgiga, sisaldab ainult paaritute footonarvude superpositsioone. Seetõttu annab paarsus teavet selle kohta, millises olekus kvantsüsteem on.

Kasside kubittide stabiliseerimise ümberkujundamine

Alice & Bobi meeskond valmistas ette ja pildistas kvantsuperpositsiooni olekuid, kontrollides samal ajal ka nende superpositsioonide faasi ja säilitades bitivahetusaega üle 10 sekundi ja faasivahetusaega, mis on pikem kui 490 ns. Kassi kubitidel põhineva suuremahulise veaparandusega kvantarvuti täielik realiseerimine ei nõua aga mitte ainult head juhtimist ja kiiret lugemist, vaid ka vahendit, mis tagab, et kassi kubit jääb arvutuste tegemiseks piisavalt kaua stabiilseks. Alice & Bobi ja ENS de Lyoni teadlased käsitlesid seda olulist ja väljakutsuvat ülesannet teine ​​uuring.

Stabiliseeritud kassi kubiidi realiseerimiseks saab süsteemi juhtida kahe footoni protsessiga, mis süstib footonite paare, hajutades samal ajal ainult kahte footonit. Selleks ühendatakse kassi kubit abiresonaatoriga ja pumbatakse täpselt häälestatud mikrolaineimpulssidega element, mida nimetatakse asümmeetriliselt keermestatud SQUIDiks (ATS).. Sellel lähenemisviisil on aga olulisi puudusi, nagu kuumuse kogunemine, soovimatute protsesside aktiveerimine ja vajadus mahuka mikrolaineelektroonika järele.

Nende probleemide leevendamiseks kujundasid teadlased kahe fotoni hajutamise mehhanismi ümber nii, et see ei vaja sellist lisapumpa. ATS-i asemel rakendasid nad kassi kubiti ülijuhtiva ostsillaatori režiimis, mis oli ühendatud kadudega abirežiimiga mitmest Josephsoni ristmikust koosneva mittelineaarse elemendi kaudu. Josephsoni element toimib "mikserina", mis võimaldab täpselt sobitada kahe kassi kubiti footoni energia ühe fotoni energiaga abiresonaatoris. Selle tulemusena muundatakse selles niinimetatud autoparameetrilises protsessis kassi kubiti resonaatori footonite paarid puhverrežiimi üheks footoniks, ilma et oleks vaja täiendavat mikrolainepumpa.

Projekteerides sümmeetrilise struktuuriga ülijuhtiva vooluringi, suutis meeskond sama Josephsoni elemendi kaudu ühendada kvaliteetse resonaatori madala kvaliteediga resonaatoriga. Seega suurendasid nad kahe footoni hajumise kiirust varasemate tulemustega võrreldes 10 korda, kusjuures bitivahetusaeg lähenes ühele sekundile – antud juhul piirab transmon. Kiire qubit-manipulatsiooni ja lühikeste veaparandustsüklite jaoks on vaja kõrget kahe footoni hajumise määra. Need on üliolulised kassi kubittide korduskoodi järelejäänud faasivahetuse vigade parandamiseks.

Tulevased rakendused kassi kubiidiga

Gerhard KirchmairAustrias Innsbruckis asuva kvantoptika ja kvantinformatsiooni instituudi füüsik, kes ei osalenud kummaski uuringus, ütleb, et mõlemad tööd kirjeldavad olulisi samme täielikult vigadega parandatud kubiidi saavutamiseks. "Need on järgmised sammud täieliku veaparanduse suunas, " ütleb Kirchmair. "Nad näitavad selgelt, et nendes süsteemides on võimalik saavutada eksponentsiaalne kaitse bittide ümberpööramise eest, mis näitab, et see lähenemisviis on elujõuline täieliku kvantveaparanduse realiseerimiseks."

Teadlased tunnistavad, et märkimisväärsed takistused on endiselt olemas. Kuna holonoomse värava protokolli kasutava lugemise täpsus oli üsna piiratud, tahetakse leida võimalusi selle parandamiseks. Veel üks oluline samm on mitme kassi kubiidiga väravate demonstreerimine ja kontrollimine, kas loomupärane bititõukekaitse jääb alles. Lisaks eeldab Alice & Bobi kaasasutaja Raphaël Lescanne, et uue autoparameetrilise seadme seadistusega fotonipaaride vahetamiseks suudab stabiliseerida kassi kubiti, kasutades nelja erineva koherentse olekuga kahe asemel. "Meie eesmärk on kasutada enneolematut mittelineaarset sidestustugevust neljakomponendilise kass-kubiti stabiliseerimiseks, mis pakuks kohapealne faaside ümberpööramise tõrkekaitse koos bitivahetuse veakaitsega, ”ütleb Lescanne.

Miks Alice ja Bob kassikubitte teevad, kutsub IOP üles tegutsema neto-null-eesmärgi saavutamiseks

Kirchmair usub, et need tulemused sillutavad teed keerukamatele veaparandusskeemidele, mis tuginevad nendele tugevalt müraga kallutatud kubitidele, kus bitivahetuskiirus on palju väiksem kui ülejäänud faasi ümberpööramise kiirus. "Järgmised sammud on selle süsteemi skaleerimine, et korrigeerida ka faasipöördeid, saavutades täielikult veaparandatud qubit," räägib Kirchmair. Füüsika maailm. "Võiks isegi ette kujutada mõlema lähenemisviisi kombineerimist ühes süsteemis, et saada mõlemast tulemusest parim ja parandada biti ümberpööramisaegu veelgi."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/