A macskakubitok a stabilitás új szintjét érik el – a fizika világát

A kvantumszámítógépek alapvető feladatokban felülmúlhatnák a hagyományos számítástechnikát, de hajlamosak olyan hibákra, amelyek végső soron kvantuminformáció-vesztéshez vezetnek, korlátozva a mai kvantumeszközöket. Ezért a nagyméretű kvantuminformációs processzorok eléréséhez a tudósoknak stratégiákat kell kidolgozniuk és végrehajtaniuk a kvantumhibák kijavítására.

A párizsi székhelyű kvantumszámítási cég kutatói Alice és Bob, a francia ENS–PSL és ENS de Lyon munkatársaival együtt mára jelentős lépéseket tettek a megoldás felé azáltal, hogy növelték az ún. macska qubits. Erwin Schrödinger híres gondolatkísérletéről elnevezett kvantumbitek a kvantumrezonátor koherens állapotait használják logikai állapotaként. A macska-kubitek ígéretesek a kvantumhiba-javítás terén, mivel koherens állapotokból épülnek fel, amelyek eleve robusztussá teszik őket a környezetből származó bizonyos típusú hibákkal szemben.

Új mérési protokoll

A kvantumbitek kétféle hibától szenvednek: fázis- és bitátfordulástól. A kvantumszámítástechnikában a bitváltás olyan hiba, amely a qubit állapotát |0⟩-ról |1⟩-ra változtatja, vagy fordítva, hasonlóan a klasszikus bit 0-ról 1-re való átfordításához. A fázisfordítás viszont egy hiba, amely megváltoztatja a qubit szuperpozíciós állapotának |0⟩ és |1⟩ komponensei közötti relatív fázist. A Cat qubitek stabilizálhatók a bit-flip hibák ellen, ha a qubitet egy olyan környezethez kapcsolják, amely előnyösen fotonpárokat cserél a rendszerrel. Ez autonóm módon ellensúlyozza néhány bitfordítást generáló hibák hatásait, és biztosítja, hogy a kvantumállapot a kívánt hibajavított altéren belül maradjon. A kvantumhiba-javítás kihívása azonban nem csak a qubitek stabilizálásában rejlik. Arról is van szó, hogy ellenőrizzük őket anélkül, hogy megtörnénk a stabilitásukat tartó mechanizmusokat.

In Az első egy pár tanulmány közzétett a arXiv Előnyomtatószerver, és még nem vizsgálták felül, az Alice & Bob, az ENS-PSL és az ENS de Lyon kutatói megtalálták a módját, hogy a bit-flip-időt több mint 10 másodpercre növeljék – ez négy nagyságrenddel hosszabb, mint a korábbi cat-qubit implementációknál. – miközben továbbra is teljesen irányítja a macska qubitet. Ezt egy olyan kiolvasási protokoll bevezetésével érték el, amely nem veszélyezteti a bitflip-védelmet a macska-qubitben, amely két klasszikus kvantumállapot kvantum-szuperpozíciójából áll, amelyek egy chipen lévő szupravezető kvantumrezonátorba záródnak. Lényeges, hogy az új mérési séma, amelyet ezen qubit állapotok kiolvasására és vezérlésére dolgoztak ki, nem támaszkodik további fizikai vezérlőelemekre, amelyek korábban korlátozták az elérhető bitátváltási időket.

A korábbi kísérleti tervekben szupravezető transzmont – egy kétszintű kvantumelemet – használtak a macska qubit állapotának ellenőrzésére és kiolvasására. Itt a kutatók egy új kiolvasási és vezérlési sémát dolgoztak ki, amely ugyanazt a segédrezonátort használja, amely a kétfoton stabilizációs mechanizmust biztosítja a macska qubit számára. Ennek a sémának a részeként egy úgynevezett holonom kaput valósítottak meg, amely a kvantumállapot paritását a rezonátorban lévő fotonok számává alakítja. A fotonszám-paritás a macska qubit jellemző tulajdonsága: a két koherens állapot egyenlő szuperpozíciója csak páros fotonszámok szuperpozícióit tartalmazza, míg ugyanaz a szuperpozíció mínuszjellel csak páratlan fotonszámok szuperpozícióit tartalmazza. A paritás tehát információt ad arról, hogy milyen állapotban van a kvantumrendszer.

A macskakubitok stabilizálásának újratervezése

Az Alice & Bob csapata kvantum-szuperpozíciós állapotokat készített és leképezett, miközben ezeknek a szuperpozícióknak a fázisát is szabályozta, és fenntartotta a 10 másodpercnél hosszabb bit- és a 490 ns-nál hosszabb fázisváltási időt. Egy nagyméretű, hibajavított kvantumszámítógép teljes megvalósításához azonban, amely macska qubiteken alapul, nemcsak jó vezérlésre és gyors kiolvasásra lesz szükség, hanem olyan eszközökre is, amelyek biztosítják, hogy a macska qubit elég hosszú ideig stabil maradjon a számítások elvégzéséhez. Az Alice & Bob és az ENS de Lyon kutatói ezzel a fontos és kihívást jelentő feladattal foglalkoztak a második tanulmány.

A stabilizált macska-kubit megvalósításához a rendszert egy kétfoton folyamat működtetheti, amely fotonpárokat fecskendez be, miközben egyszerre csak két fotont disszipál. Ez általában úgy történik, hogy a macska qubitet egy segédrezonátorhoz csatlakoztatják, és egy aszimmetrikus menetű SQUID (ATS) nevű elemet pumpálnak pontosan hangolt mikrohullámú impulzusokkal.. Ez a megközelítés azonban jelentős hátrányokkal jár, mint például a hő felhalmozódása, a nem kívánt folyamatok aktiválása és a terjedelmes mikrohullámú elektronika szükségessége.

E problémák enyhítése érdekében a kutatók újratervezték a kétfoton-disszipációs mechanizmust, hogy ne legyen szükség ilyen további szivattyúra. Az ATS helyett a cat qubitet szupravezető oszcillátor módban valósították meg, amely egy több Josephson-átmenetből álló nemlineáris elemen keresztül egy veszteséges segédüzemmódhoz volt kapcsolva. A Josephson elem „keverőként” szolgál, amely lehetővé teszi, hogy két macska qubit foton energiája pontosan megfeleljen a segédrezonátor egyik fotonjának. Ennek eredményeként ebben az úgynevezett autoparametrikus folyamatban a cat qubit rezonátorban lévő fotonpárok a puffer üzemmód egyetlen fotonjává alakulnak anélkül, hogy további mikrohullámú szivattyúra lenne szükség.

Egy szimmetrikus szerkezetű szupravezető áramkör megtervezésével a csapat képes volt egy jó minőségű rezonátort egy gyenge minőségű rezonátorhoz kapcsolni ugyanazon a Josephson elemen keresztül. Ezáltal a korábbi eredményekhez képest 10-szeresére növelték a két foton disszipációját, a bit-flip idő megközelítette az egy másodpercet – ebben az esetben a transzmon korlátozza. A gyors qubit-manipulációhoz és a rövid hibajavítási ciklusokhoz nagy kétfoton-disszipáció szükséges. Ezek kulcsfontosságúak a macska qubitek ismétlődő kódjában a fennmaradó fázisátfordítási hibák kijavításához.

Jövőbeli alkalmazások macska qubitekkel

Gerhard Kirchmair, az ausztriai innsbrucki Kvantumoptikai és Kvantuminformációs Intézet fizikusa, aki egyik tanulmányban sem vett részt, azt mondja, hogy mindkét munka fontos lépéseket ír le egy teljesen hibajavított qubit megvalósítása felé. „Ezek a következő lépések a teljes körű hibajavítás felé” – mondja Kirchmair. "Egyértelműen demonstrálják, hogy ezekben a rendszerekben lehetséges exponenciális védelmet elérni a bitfordítások ellen, ami azt mutatja, hogy ez a megközelítés életképes a teljes kvantumhiba-korrekció megvalósítására."

A kutatók elismerik, hogy továbbra is jelentős akadályok állnak fenn. Mivel a holonómikus kapu protokollt használó kiolvasás pontossága meglehetősen korlátozott volt, szeretnének módot találni a javítására. Egy másik fontos lépés lesz a több macska qubitet tartalmazó kapuk bemutatása és annak ellenőrzése, hogy megmarad-e a benne rejlő bitflip-védelem. Ezenkívül a fotonpárok cseréjére beállított új autoparametrikus eszközzel az Alice & Bob társalapítója, Raphaël Lescanne arra számít, hogy kettő helyett négy különböző koherens állapot segítségével stabilizálni tudja a macska qubitet. „Célunk, hogy a példátlan nemlineáris csatolási erőt használjuk egy négykomponensű cat-qubit stabilizálására, ami in situ fázisváltási hiba védelem a bitfordítási hiba védelemmel együtt” – mondja Lescanne.

Miért készít Alice és Bob macskakvbiteket, az IOP cselekvésre szólít fel a nettó nulla cél elérése érdekében

Kirchmair úgy véli, hogy ezek az eredmények kidolgozottabb hibajavító sémák előtt nyitják meg az utat, amelyek ezekre az erősen zajtorzított qubitekre támaszkodnak, ahol a bit-átfordítási sebesség sokkal alacsonyabb, mint a fennmaradó fázisátfordulási sebesség. "A következő lépések a rendszer méretezését jelentik, hogy a fázisfordításokat is korrigálja, így egy teljesen hibajavított qubit valósul meg" - mondja Kirchmair Fizika Világa. „Az is elképzelhető, hogy a két megközelítést egy rendszerben kombináljuk, hogy mindkét eredményből a legjobbat hozzuk ki, és még tovább javítsuk a flip-időket.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/