کیوبیت های گربه به سطح جدیدی از ثبات می رسند - دنیای فیزیک

کامپیوترهای کوانتومی می توانند در کارهای ضروری از محاسبات معمولی پیشی بگیرند، اما مستعد خطاهایی هستند که در نهایت منجر به از دست دادن اطلاعات کوانتومی می شود و دستگاه های کوانتومی امروزی را محدود می کند. بنابراین، برای دستیابی به پردازشگرهای اطلاعات کوانتومی در مقیاس بزرگ، دانشمندان نیاز به توسعه و پیاده سازی استراتژی هایی برای تصحیح خطاهای کوانتومی دارند.

محققان شرکت محاسبات کوانتومی مستقر در پاریس آلیس و باببه همراه همکارانش در ENS–PSL فرانسه و ENS de Lyon، اکنون گام‌های مهمی در جهت راه‌حلی با افزایش ثبات و کنترل به اصطلاح برداشته‌اند. کیوبیت گربه. این بیت‌های کوانتومی که پس از آزمایش فکری معروف اروین شرودینگر نامگذاری شده‌اند، از حالت‌های منسجم تشدیدگر کوانتومی به عنوان حالت‌های منطقی خود استفاده می‌کنند. کیوبیت‌های گربه برای تصحیح خطای کوانتومی امیدوارکننده هستند زیرا از حالت‌های منسجمی ساخته شده‌اند که ذاتاً آنها را در برابر انواع خاصی از خطاهای محیط مقاوم می‌کند.

پروتکل اندازه گیری جدید

بیت های کوانتومی از دو نوع خطا رنج می برند: تلنگر فاز و تلنگر بیت. در محاسبات کوانتومی، bit flip خطایی است که وضعیت یک کیوبیت را از |0⟩ به |1⟩ یا بالعکس تغییر می دهد، مشابه با برگرداندن یک بیت کلاسیک از 0 به 1. از سوی دیگر، یک تلنگر فازی است. خطایی که فاز نسبی بین مولفه های |0⟩ و |1⟩ حالت برهم نهی کیوبیت را تغییر می دهد. کیوبیت‌های گربه را می‌توان با جفت کردن کیوبیت به محیطی که ترجیحاً جفت‌های فوتون را با سیستم مبادله می‌کند، در برابر خطاهای تلنگر بیتی تثبیت کرد. این به طور مستقل با اثرات برخی از خطاها که تلنگرهای بیتی ایجاد می کنند خنثی می کند و تضمین می کند که حالت کوانتومی در زیر فضای مورد نظر تصحیح شده با خطا باقی می ماند. با این حال، چالش تصحیح خطای کوانتومی فقط در مورد تثبیت کیوبیت ها نیست. همچنین در مورد کنترل آنها بدون شکستن مکانیسم هایی است که آنها را ثابت نگه می دارد.

In اول از یک جفت مطالعه ارسال شده در مانند: arXiv سرور پیش‌چاپ، و هنوز مورد بررسی همتا قرار نگرفته است، محققان Alice & Bob، ENS-PSL و ENS de Lyon راهی برای افزایش زمان بیت‌فلیپ به بیش از 10 ثانیه یافتند - چهار مرتبه بزرگ‌تر از اجرای قبلی cat-qubit. - در حالی که هنوز کیوبیت گربه را به طور کامل کنترل می کنید. آن‌ها با معرفی یک پروتکل بازخوانی به این هدف دست یافتند که حفاظت از چرخش بیت را در کیوبیت گربه‌شان به خطر نمی‌اندازد، که شامل برهم‌نهی کوانتومی دو حالت کوانتومی کلاسیک است که در یک تشدیدگر کوانتومی ابررسانا روی یک تراشه به دام افتاده‌اند. مهمتر از همه، طرح اندازه گیری جدیدی که آنها برای خواندن و کنترل این حالات کیوبیت ابداع کردند، به عناصر کنترل فیزیکی اضافی متکی نیست، که قبلاً زمان‌های چرخش بیت قابل دستیابی را محدود می‌کرد.

طرح‌های آزمایشی قبلی از یک ترانسمون ابررسانا - یک عنصر کوانتومی دو سطحی - برای کنترل و خواندن وضعیت کیوبیت گربه استفاده می‌کردند. در اینجا، محققان طرح بازخوانی و کنترل جدیدی ابداع کردند که از همان تشدیدگر کمکی استفاده می‌کند که مکانیسم تثبیت دو فوتون را برای کیوبیت گربه فراهم می‌کند. به عنوان بخشی از این طرح، آنها دروازه‌ای به اصطلاح هولونومیک را اجرا کردند که برابری حالت کوانتومی را به تعداد فوتون‌های تشدیدکننده تبدیل می‌کند. برابری عدد فوتون یک ویژگی مشخصه کیوبیت گربه است: برهم نهی مساوی از دو حالت همدوس فقط شامل برهم نهی های اعداد فوتون زوج است، در حالی که همان برهم نهی اما با علامت منفی فقط شامل برهم نهی های اعداد فوتون فرد است. بنابراین برابری اطلاعاتی در مورد وضعیت سیستم کوانتومی ارائه می دهد.

طراحی مجدد تثبیت کیوبیت های گربه

تیم آلیس و باب حالات برهم نهی کوانتومی را آماده و تصویربرداری کردند و در عین حال فاز این برهم نهی ها را نیز کنترل کردند و زمان تلنگر بیتی بیش از 10 ثانیه و زمان چرخش فاز بیش از 490 ns را حفظ کردند. با این حال، تحقق کامل یک کامپیوتر کوانتومی تصحیح شده خطا در مقیاس بزرگ مبتنی بر کیوبیت‌های گربه، نه تنها به کنترل خوب و بازخوانی سریع نیاز دارد، بلکه به ابزاری برای اطمینان از پایدار ماندن کیوبیت گربه برای مدت طولانی برای انجام محاسبات نیز نیاز دارد. محققان Alice & Bob و ENS de Lyon به این وظیفه مهم و چالش برانگیز در این زمینه پرداختند مطالعه دوم.

برای تحقق یک کیوبیت گربه تثبیت شده، سیستم می تواند توسط یک فرآیند دو فوتونی هدایت شود که جفت فوتون را تزریق می کند در حالی که تنها دو فوتون را به طور همزمان متلاشی می کند. این کار معمولاً با جفت کردن کیوبیت گربه به یک تشدید کننده کمکی و پمپاژ عنصری به نام SQUID با نخ نامتقارن (ATS) با پالس های مایکروویو دقیق انجام می شود.. با این حال، این رویکرد دارای اشکالات قابل توجهی است، مانند تجمع گرما، فعال شدن فرآیندهای ناخواسته، و لزوم استفاده از وسایل الکترونیکی مایکروویو حجیم.

برای کاهش این مشکلات، محققان مکانیسم اتلاف دو فوتون را دوباره طراحی کردند تا به چنین پمپ اضافی نیاز نداشته باشد. به جای یک ATS، آنها کیوبیت گربه را در حالت نوسانگر ابررسانا که با یک حالت کمکی با تلفات از طریق یک عنصر غیرخطی متشکل از اتصالات جوزفسون متعدد همراه شده است، اجرا کردند. عنصر جوزفسون به عنوان یک "مخلوط کننده" عمل می کند که امکان تطبیق دقیق انرژی دو فوتون کیوبیت گربه را با انرژی یک فوتون در تشدید کننده کمکی فراهم می کند. در نتیجه، در این فرآیند به اصطلاح اتوپارامتری، جفت‌های فوتون در تشدیدگر کیوبیت گربه بدون نیاز به پمپ مایکروویو اضافی به یک فوتون منفرد در حالت بافر تبدیل می‌شوند.

با طراحی یک مدار ابررسانا با ساختاری متقارن، تیم توانست یک تشدید کننده با کیفیت بالا را با یک تشدید کننده با کیفیت پایین از طریق همان عنصر جوزفسون جفت کند. آنها در نتیجه نرخ اتلاف دو فوتون را در مقایسه با نتایج قبلی با ضریب 10 افزایش دادند، با زمان چرخش بیت به یک ثانیه - در این مورد توسط ترانسمون محدود می‌شود. برای دستکاری سریع کیوبیت و چرخه های کوتاه تصحیح خطا، نرخ اتلاف دو فوتون بالا مورد نیاز است. اینها برای تصحیح خطاهای برگشت فاز باقیمانده در یک کد تکراری کیوبیت های گربه بسیار مهم هستند.

برنامه های آینده با کیوبیت های گربه

گرهارد کیرشمیرفیزیکدان مؤسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی در اینسبروک اتریش، که در هیچ یک از این مطالعات شرکت نداشت، می‌گوید که هر دو کار گام‌های مهمی را در جهت تحقق یک کیوبیت کاملاً تصحیح شده با خطا توصیف می‌کنند. کیرشمیر می‌گوید: «اینها گام‌های بعدی به سوی تصحیح کامل خطا هستند. آنها به وضوح نشان می‌دهند که امکان دستیابی به حفاظت نمایی در برابر تلنگرهای بیتی در این سیستم‌ها وجود دارد، که نشان می‌دهد این رویکرد برای تحقق تصحیح کامل خطای کوانتومی قابل اجرا است.

محققان اذعان می کنند که موانع قابل توجهی باقی مانده است. از آنجایی که دقت بازخوانی با استفاده از پروتکل گیت هولونومیک نسبتاً محدود بود، آنها می خواهند راه هایی برای بهبود آن بیابند. نشان دادن گیت‌هایی که شامل چندین کیوبیت گربه هستند و بررسی اینکه آیا حفاظت ذاتی بیت‌تغیری باقی می‌ماند، گام مهم دیگری خواهد بود. علاوه بر این، با راه اندازی دستگاه اتوپارامتری جدید برای تبادل جفت فوتون، رافائل لسکان، بنیانگذار آلیس و باب، پیش بینی می کند که بتواند یک کیوبیت گربه را با استفاده از چهار حالت منسجم مختلف به جای تنها دو حالت، تثبیت کند. "هدف ما استفاده از قدرت جفت غیرخطی بی سابقه برای تثبیت یک cat-qubit چهار جزئی است که می تواند ارائه دهد. در محل Lescanne می‌گوید: حفاظت از خطای تلنگر فازی همراه با حفاظت از خطای بیت‌تغیری.

چرا آلیس و باب کیوبیت های گربه را می سازند، IOP خواستار اقدام برای هدف خالص صفر است

Kirchmair معتقد است که این نتایج راه را برای طرح‌های اصلاح خطای دقیق‌تر با تکیه بر این کیوبیت‌های با سوگیری شدید نویز هموار می‌کند، که در آن نرخ بیت ورق بسیار کمتر از نرخ چرخش فاز باقی‌مانده است. کیرشمیر می‌گوید: «مرحله‌های بعدی مقیاس‌سازی این سیستم برای تصحیح ورق‌های فازی خواهد بود و بدین ترتیب یک کیوبیت کاملاً تصحیح شده با خطا محقق می‌شود.» دنیای فیزیک. حتی می توان تصور کرد که هر دو روش را در یک سیستم ترکیب کنیم تا بهترین نتیجه را بدست آوریم و زمان چرخش بیت را حتی بیشتر بهبود ببخشیم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/