Kissan kubitit saavuttavat uuden vakauden tason – Physics World

Kvanttitietokoneet voisivat ylittää tavanomaisen laskennan olennaisissa tehtävissä, mutta ne ovat alttiita virheille, jotka lopulta johtavat kvanttiinformaation menettämiseen, mikä rajoittaa nykypäivän kvanttilaitteita. Siksi tutkijoiden on kehitettävä ja otettava käyttöön strategioita kvanttivirheiden korjaamiseksi saadakseen aikaan laajamittaisen kvanttitietoprosessorin.

Pariisissa toimivan kvanttilaskentayrityksen tutkijat Alice & Bob, yhdessä ranskalaisten ENS–PSL:n ja ENS de Lyonin kollegoiden kanssa ovat nyt ottaneet merkittäviä harppauksia kohti ratkaisua lisäämällä vakautta ja hallintaa ns. kissan kubitit. Erwin Schrödingerin kuuluisan ajatuskokeen mukaan nimetyt kvanttibitit käyttävät kvanttiresonaattorin koherentteja tiloja loogisina tiloinaan. Kissan kubitit ovat lupaavia kvanttivirheen korjauksessa, koska ne on rakennettu koherenteista tiloista, mikä tekee niistä luonnostaan ​​kestäviä tietyntyyppisiä ympäristön virheitä vastaan.

Uusi mittausprotokolla

Kvanttibitit kärsivät kahden tyyppisistä virheistä: vaihe- ja bittikäännöistä. Kvanttilaskennassa bitin vaihto on virhe, joka muuttaa kubitin tilan |0⟩:sta |1⟩:ksi tai päinvastoin, analogisesti klassisen bitin vaihtamiseen 0:sta 1:een. Vaiheen vaihto puolestaan ​​on virhe, joka muuttaa suhteellista vaihetta kubitin superpositiotilan |0⟩ ja |1⟩ komponenttien välillä. Cat-kubitit voidaan vakauttaa bitin vaihtovirheitä vastaan ​​kytkemällä kubitit ympäristöön, joka ensisijaisesti vaihtaa fotonipareja järjestelmän kanssa. Tämä torjuu itsenäisesti joidenkin virheiden vaikutuksia, jotka synnyttävät bittikääntymiä, ja varmistaa, että kvanttitila pysyy halutussa virhekorjatussa alitilassa. Kvanttivirheen korjauksen haaste ei kuitenkaan ole vain kubittien stabilointi. Kyse on myös niiden hallinnasta rikkomatta mekanismeja, jotka pitävät ne vakaina.

In ensimmäinen parista tutkimuksesta, jotka on julkaistu arXiv Alice & Bobin, ENS-PSL:n ja ENS de Lyonin tutkijat löysivät tavan pidentää bitin vaihtoaikaa yli 10 sekuntiin – neljä kertaluokkaa pidempään kuin aiemmat cat-qubit-toteutukset. – hallitsee silti täysin kissan kubittia. He saavuttivat tämän ottamalla käyttöön lukuprotokollan, joka ei vaaranna bittikääntymissuojaa heidän kissan kubitissa, joka koostuu kahden klassisen kvanttitilan kvantti superpositiosta, jotka on vangittu sirulla olevaan suprajohtavaan kvanttiresonaattoriin. Ratkaisevaa on, että uusi mittausjärjestelmä, jonka he suunnittelivat näiden kubittitilojen lukemiseksi ja ohjaamiseksi, ei tukeudu ylimääräisiin fyysisiin ohjauselementteihin, jotka aiemmin rajoittivat saavutettavissa olevia bitin vaihtoaikoja.

Aiemmissa koesuunnitelmissa käytettiin suprajohtavaa transmonia – kaksitasoista kvanttielementtiä – kissan kubitin tilan ohjaamiseen ja lukemiseen. Täällä tutkijat kehittivät uuden luku- ja ohjausjärjestelmän, joka käyttää samaa apuresonaattoria, joka tarjoaa kahden fotonin stabilointimekanismin kissan kubitille. Osana tätä järjestelmää he toteuttivat niin sanotun holonomisen portin, joka muuttaa kvanttitilan pariteetin resonaattorin fotonien lukumääräksi. Fotonilukupariteetti on kissan kubitin ominaisuus: kahden koherentin tilan yhtä suuri superpositio sisältää vain parillisten fotonilukujen superpositiot, kun taas sama superpositio, mutta miinusmerkillä, sisältää vain parittomien fotonilukujen superpositiot. Pariteetti antaa siis tietoa siitä, missä tilassa kvanttijärjestelmä on.

Kissan kubittien stabiloinnin uudelleensuunnittelu

Alice & Bob -tiimi valmisteli ja kuvasi kvantti-superpositiotiloja samalla, kun hän kontrolloi näiden superpositioiden vaihetta ja ylläpiti yli 10 sekunnin bitinvaihtoaikaa ja yli 490 ns:n vaiheenvaihtoaikaa. Kissan kubitteihin perustuvan suuren mittakaavan virhekorjatun kvanttitietokoneen täydellinen toteuttaminen vaatii kuitenkin paitsi hyvän ohjauksen ja nopean lukemisen, myös keinon varmistaa, että kissan kubitti pysyy vakaana riittävän pitkään laskelmien suorittamista varten. Alice & Bobin ja ENS de Lyonin tutkijat käsittelivät tätä tärkeää ja haastavaa tehtävää toinen tutkimus.

Stabiloidun kissan kubitin toteuttamiseksi järjestelmää voidaan ohjata kahden fotonin prosessilla, joka ruiskuttaa fotonipareja ja hajottaa vain kaksi fotonia kerralla. Tämä tehdään yleensä kytkemällä kissan kubitti apuresonaattoriin ja pumppaamalla elementtiä nimeltä asymmetrically-threaded-SQUID (ATS) tarkasti viritetyillä mikroaaltopulsseilla.. Tämä lähestymistapa aiheuttaa kuitenkin merkittäviä haittoja, kuten lämmön kertymistä, ei-toivottujen prosessien aktivoitumista ja tilaa vievän mikroaaltoelektroniikan välttämättömyyttä.

Näiden ongelmien lieventämiseksi tutkijat suunnittelivat kahden fotonin hajoamismekanismin uudelleen niin, että se ei vaadi tällaista lisäpumppua. ATS:n sijasta he toteuttivat kissa-kubitin suprajohtavassa oskillaattoritilassa, joka oli kytketty häviölliseen apumoodiin useista Josephson-liitoksista koostuvan epälineaarisen elementin kautta. Josephson-elementti toimii "sekoittimena", joka mahdollistaa kahden kissan kubitin fotonin energian täsmäämisen yhden apuresonaattorin fotonin energiaan. Tämän seurauksena tässä niin kutsutussa autoparametrisessa prosessissa fotoniparit kissan kubittiresonaattorissa muunnetaan yhdeksi puskuritilan fotoniksi ilman ylimääräistä mikroaaltopumppua.

Suunnittelemalla suprajohtavan piirin symmetrisellä rakenteella tiimi pystyi yhdistämään korkealaatuisen resonaattorin huonolaatuiseen saman Josephson-elementin kautta. Siten ne lisäsivät kahden fotonin hajoamisnopeutta kertoimella 10 verrattuna aikaisempiin tuloksiin, jolloin bitin vaihtoaika lähestyi yhtä sekuntia – tässä tapauksessa transmoni rajoittaa. Korkea kahden fotonin hajoamisnopeus tarvitaan nopeaan qubit-käsittelyyn ja lyhyisiin virheenkorjausjaksoihin. Nämä ovat ratkaisevan tärkeitä jäljellä olevien vaiheen vaihtovirheiden korjaamiseksi kissan kubittien toistokoodissa.

Tulevat sovellukset kissakubittien kanssa

Gerhard Kirchmair, Itävallan Innsbruckin kvanttioptiikan ja kvanttiinformaation instituutin fyysikko, joka ei ollut mukana kummassakaan tutkimuksessa, sanoo, että molemmat teokset kuvaavat tärkeitä askeleita kohti täysin virhekorjatun kubitin toteuttamista. "Nämä ovat seuraavat askeleet kohti täydellistä virheenkorjausta", Kirchmair sanoo. "Ne osoittavat selvästi, että näissä järjestelmissä on mahdollista saavuttaa eksponentiaalinen suoja bittikääntymisiä vastaan, mikä osoittaa, että tämä lähestymistapa on käyttökelpoinen toteuttamaan täydellinen kvanttivirheen korjaus."

Tutkijat myöntävät, että merkittäviä esteitä on edelleen. Koska holonomisen portin protokollan lukemisen tarkkuus oli melko rajallinen, he haluavat löytää tapoja parantaa sitä. Toinen tärkeä askel on esitellä portit, joissa on useita kissan kubitteja, ja sen tarkistaminen, säilyykö luontainen bittikääntämissuoja. Lisäksi, kun uusi autoparametrinen laite on asetettu vaihtamaan fotonipareja, Alice & Bobin toinen perustaja Raphaël Lescanne ennakoi pystyvänsä stabiloimaan kissan kubitin käyttämällä neljää eri koherenttia tilaa kahden sijasta. "Tavoitteemme on käyttää ennennäkemätöntä epälineaarista kytkentävoimaa stabiloimaan nelikomponenttinen cat-qubit, joka tarjoaisi on-site vaiheen vaihtovirhesuojaus sekä bitinvaihtovirhesuojaus”, Lescanne sanoo.

Miksi Alice & Bob tekevät kissakubitteja, IOP vaatii toimia nollan nettotavoitteen saavuttamiseksi

Kirchmair uskoo, että nämä tulokset tasoittavat tietä monimutkaisemmille virheenkorjausmenetelmille, jotka perustuvat näihin voimakkaasti kohinapainotteisiin kubitteihin, joissa bitin vaihtonopeus on paljon pienempi kuin jäljellä olevan vaiheen kiertonopeus. "Seuraava vaihe on tämän järjestelmän skaalaaminen niin, että se korjaa myös vaihevaihtelut, jolloin saadaan täysin virhekorjattu kubitti", Kirchmair kertoo. Fysiikan maailma. "Voisi jopa kuvitella yhdistävän molemmat lähestymistavat yhdeksi järjestelmäksi parhaan tuloksen saamiseksi ja bitin kääntöaikojen parantamiseksi entisestään."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/