Qubit kucing mencapai tingkat stabilitas baru – Dunia Fisika

Komputer kuantum dapat melampaui komputasi konvensional dalam tugas-tugas penting, namun mereka rentan terhadap kesalahan yang pada akhirnya menyebabkan hilangnya informasi kuantum, sehingga membatasi perangkat kuantum saat ini. Oleh karena itu, untuk mencapai pemroses informasi kuantum berskala besar, para ilmuwan perlu mengembangkan dan menerapkan strategi untuk memperbaiki kesalahan kuantum.

Para peneliti di perusahaan komputasi kuantum yang berbasis di Paris Alice & Bob, bersama dengan rekan-rekannya di ENS–PSL Perancis dan ENS de Lyon, kini telah membuat langkah signifikan menuju solusi dengan meningkatkan stabilitas dan pengendalian apa yang disebut qubit kucing. Dinamakan berdasarkan eksperimen pemikiran Erwin Schrödinger yang terkenal, bit kuantum ini menggunakan keadaan koheren dari resonator kuantum sebagai keadaan logisnya. Qubit Cat menjanjikan untuk koreksi kesalahan kuantum karena dibangun dari keadaan koheren, yang menjadikannya secara intrinsik kuat terhadap jenis kesalahan tertentu dari lingkungan.

Protokol pengukuran baru

Bit kuantum mengalami dua jenis kesalahan: pembalikan fase dan pembalikan bit. Dalam komputasi kuantum, pembalikan bit adalah kesalahan yang mengubah status qubit dari |0⟩ menjadi |1⟩ atau sebaliknya, analog dengan membalik bit klasik dari 0 ke 1. Sebaliknya, pembalikan fase adalah kesalahan yang mengubah fase relatif antara komponen |0⟩ dan |1⟩ dari keadaan superposisi qubit. Qubit Cat dapat distabilkan terhadap kesalahan bit-flip dengan menggabungkan qubit ke lingkungan yang secara istimewa bertukar pasangan foton dengan sistem. Hal ini secara mandiri melawan efek dari beberapa kesalahan yang menghasilkan bit-flip dan memastikan bahwa keadaan kuantum tetap berada dalam subruang koreksi kesalahan yang diinginkan. Namun, tantangan koreksi kesalahan kuantum bukan hanya tentang menstabilkan qubit. Hal ini juga tentang mengendalikan mereka tanpa merusak mekanisme yang menjaga mereka tetap stabil.

In yang pertama dari sepasang penelitian yang diposting di arXiv server pracetak, dan belum ditinjau oleh rekan sejawat, para peneliti di Alice & Bob, ENS-PSL dan ENS de Lyon menemukan cara untuk meningkatkan waktu bit-flip menjadi lebih dari 10 detik – empat kali lipat lebih lama dibandingkan implementasi cat-qubit sebelumnya – sambil tetap mengendalikan qubit kucing sepenuhnya. Mereka mencapai hal ini dengan memperkenalkan protokol pembacaan yang tidak membahayakan perlindungan bit-flip di qubit kucing mereka, yang terdiri dari superposisi kuantum dari dua keadaan kuantum klasik yang terperangkap dalam resonator kuantum superkonduktor pada sebuah chip. Yang terpenting, skema pengukuran baru yang mereka rancang untuk membaca dan mengendalikan status qubit ini tidak bergantung pada elemen kontrol fisik tambahan, yang sebelumnya membatasi waktu bit-flip yang dapat dicapai.

Desain eksperimen sebelumnya menggunakan transmon superkonduktor – elemen kuantum dua tingkat – untuk mengontrol dan membaca keadaan qubit kucing. Di sini, para peneliti merancang skema pembacaan dan kontrol baru yang menggunakan resonator tambahan yang sama yang menyediakan mekanisme stabilisasi dua foton untuk qubit kucing. Sebagai bagian dari skema ini, mereka menerapkan apa yang disebut gerbang holonomis yang mengubah paritas keadaan kuantum menjadi jumlah foton dalam resonator. Paritas bilangan foton adalah ciri khas qubit kucing: superposisi setara dari dua keadaan koheren hanya berisi superposisi bilangan foton genap, sedangkan superposisi yang sama tetapi bertanda minus hanya berisi superposisi bilangan foton ganjil. Oleh karena itu, paritas memberikan informasi tentang keadaan sistem kuantum.

Mendesain ulang stabilisasi qubit kucing

Tim Alice & Bob mempersiapkan dan mencitrakan keadaan superposisi kuantum sambil juga mengontrol fase superposisi ini dan mempertahankan waktu bit-flip lebih dari 10 detik dan waktu fase-flip lebih lama dari 490 ns. Namun, mewujudkan sepenuhnya komputer kuantum yang dikoreksi kesalahan berskala besar berdasarkan qubit kucing tidak hanya memerlukan kontrol yang baik dan pembacaan yang cepat, namun juga cara untuk memastikan qubit kucing tetap stabil cukup lama untuk melakukan komputasi. Peneliti dari Alice & Bob dan ENS de Lyon membahas tugas penting dan menantang ini studi kedua.

Untuk mewujudkan qubit kucing yang stabil, sistem dapat digerakkan oleh proses dua foton yang menyuntikkan pasangan foton sambil menghamburkan hanya dua foton sekaligus. Hal ini biasanya dilakukan dengan memasangkan qubit kucing ke resonator tambahan dan memompa elemen yang disebut SQUID berulir asimetris (ATS) dengan pulsa gelombang mikro yang disetel secara tepat.. Namun pendekatan ini memiliki kelemahan yang signifikan, seperti penumpukan panas, aktivasi proses yang tidak diinginkan, dan kebutuhan perangkat elektronik gelombang mikro yang besar.

Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mendesain ulang mekanisme disipasi dua foton sehingga tidak memerlukan pompa tambahan. Alih-alih ATS, mereka mengimplementasikan cat qubit dalam mode osilator superkonduktor yang digabungkan ke mode bantu lossy melalui elemen nonlinier yang terdiri dari beberapa persimpangan Josephson. Elemen Josephson berfungsi sebagai “pencampur” yang memungkinkan untuk mencocokkan energi dua foton qubit kucing dengan energi satu foton di resonator tambahan. Hasilnya, dalam apa yang disebut proses autoparametrik ini, pasangan foton dalam resonator qubit kucing diubah menjadi foton tunggal dalam mode buffer tanpa memerlukan pompa gelombang mikro tambahan.

Dengan merancang sirkuit superkonduktor dengan struktur simetris, tim dapat memasangkan resonator berkualitas tinggi dengan resonator berkualitas rendah melalui elemen Josephson yang sama. Dengan demikian, mereka meningkatkan laju disipasi dua foton sebanyak 10 kali lipat dibandingkan hasil sebelumnya, dengan waktu bit-flip mendekati satu detik – dalam hal ini dibatasi oleh transmon. Tingkat disipasi dua foton yang tinggi diperlukan untuk manipulasi qubit yang cepat dan siklus koreksi kesalahan yang singkat. Ini sangat penting untuk memperbaiki kesalahan pembalikan fase yang tersisa dalam kode pengulangan qubit kucing.

Aplikasi masa depan dengan qubit kucing

Gerhard Kirchmair, seorang fisikawan di Institut Optik Kuantum dan Informasi Kuantum di Innsbruck, Austria, yang tidak terlibat dalam kedua penelitian tersebut, mengatakan bahwa kedua karya tersebut menjelaskan langkah-langkah penting untuk mewujudkan qubit yang sepenuhnya terkoreksi kesalahan. “Ini adalah langkah selanjutnya menuju koreksi kesalahan secara menyeluruh,” kata Kirchmair. “Mereka dengan jelas menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk mencapai perlindungan eksponensial terhadap pembalikan bit dalam sistem ini, yang menunjukkan bahwa pendekatan ini layak untuk mewujudkan koreksi kesalahan kuantum penuh.”

Para peneliti mengakui bahwa masih ada kendala besar. Karena keakuratan pembacaan menggunakan protokol gerbang holonomic agak terbatas, mereka ingin mencari cara untuk memperbaikinya. Mendemonstrasikan gerbang yang melibatkan beberapa qubit kucing dan memeriksa apakah perlindungan bit-flip yang melekat masih ada akan menjadi langkah penting lainnya. Selain itu, dengan pengaturan perangkat autoparametrik baru untuk bertukar pasangan foton, salah satu pendiri Alice & Bob, Raphaël Lescanne, mengantisipasi kemampuan untuk menstabilkan qubit kucing menggunakan empat keadaan koheren yang berbeda, bukan hanya dua. “Tujuan kami adalah menggunakan kekuatan kopling nonlinier yang belum pernah ada sebelumnya untuk menstabilkan cat-qubit empat komponen, yang akan menawarkan di tempat perlindungan kesalahan fase-flip bersama dengan perlindungan kesalahan bit-flip,” kata Lescanne.

Mengapa Alice & Bob membuat qubit kucing, IOP menyerukan tindakan pada target net-zero

Kirchmair percaya bahwa hasil ini membuka jalan bagi skema koreksi kesalahan yang lebih rumit dengan mengandalkan qubit yang sangat bias terhadap kebisingan, di mana laju pembalikan bit jauh lebih rendah daripada laju pembalikan fase yang tersisa. “Langkah selanjutnya adalah menskalakan sistem ini untuk juga mengoreksi pembalikan fase sehingga mewujudkan qubit yang sepenuhnya terkoreksi kesalahan,” kata Kirchmair. Dunia Fisika. “Kita bahkan dapat membayangkan menggabungkan kedua pendekatan dalam satu sistem untuk memaksimalkan kedua hasil dan meningkatkan waktu pembalikan bit lebih jauh lagi.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/