I qubit dei gatti raggiungono un nuovo livello di stabilità – Physics World

I computer quantistici potrebbero superare i calcoli convenzionali in compiti essenziali, ma sono soggetti a errori che alla fine portano alla perdita di informazioni quantistiche, limitando i dispositivi quantistici di oggi. Pertanto, per realizzare processori di informazioni quantistiche su larga scala, gli scienziati devono sviluppare e implementare strategie per correggere gli errori quantistici.

Ricercatori dell’azienda di calcolo quantistico con sede a Parigi Alice e Bob, insieme ai colleghi dell'ENS–PSL francese e dell'ENS de Lyon, hanno ora compiuto passi significativi verso una soluzione rafforzando la stabilità e il controllo dei cosiddetti qubit per gatti. Questi bit quantistici, che prendono il nome dal famoso esperimento mentale di Erwin Schrödinger, utilizzano gli stati coerenti di un risonatore quantistico come stati logici. I qubit Cat sono promettenti per la correzione degli errori quantistici perché sono costruiti a partire da stati coerenti, che li rendono intrinsecamente robusti contro determinati tipi di errori provenienti dall’ambiente.

Un nuovo protocollo di misurazione

I bit quantistici soffrono di due tipi di errori: inversioni di fase e inversioni di bit. Nell'informatica quantistica, un bit flip è un errore che cambia lo stato di un qubit da |0⟩ a |1⟩ o viceversa, analogamente all'inversione di un bit classico da 0 a 1. Un'inversione di fase, d'altra parte, è un errore che altera la fase relativa tra i componenti |0⟩ e |1⟩ dello stato di sovrapposizione di un qubit. I qubit Cat possono essere stabilizzati contro gli errori di bit-flip accoppiando il qubit a un ambiente che scambia preferenzialmente coppie di fotoni con il sistema. Ciò contrasta autonomamente gli effetti di alcuni errori che generano bit-flip e garantisce che lo stato quantistico rimanga all’interno del sottospazio corretto dagli errori desiderato. Tuttavia, la sfida della correzione degli errori quantistici non riguarda solo la stabilizzazione dei qubit. Si tratta anche di controllarli senza rompere i meccanismi che li mantengono stabili.

In il primo di un paio di studi pubblicati sul arXiv server di prestampa e non ancora sottoposto a revisione paritaria, i ricercatori di Alice & Bob, ENS-PSL e ENS de Lyon hanno trovato un modo per aumentare il tempo di capovolgimento del bit a più di 10 secondi: quattro ordini di grandezza in più rispetto alle precedenti implementazioni cat-qubit – pur controllando completamente il qubit del gatto. Hanno raggiunto questo obiettivo introducendo un protocollo di lettura che non compromette la protezione bit-flip nel loro cat qubit, che consiste in una sovrapposizione quantistica di due stati quantistici classici intrappolati in un risonatore quantistico superconduttore su un chip. Fondamentalmente, il nuovo schema di misurazione ideato per leggere e controllare questi stati di qubit non si basa su elementi di controllo fisico aggiuntivi, che in precedenza limitavano i tempi di bit-flip ottenibili.

Precedenti progetti di esperimenti utilizzavano un transmon superconduttore – un elemento quantistico a due livelli – per controllare e leggere lo stato del qubit cat. Qui, i ricercatori hanno ideato un nuovo schema di lettura e controllo che utilizza lo stesso risonatore ausiliario che fornisce il meccanismo di stabilizzazione a due fotoni per il qubit cat. Come parte di questo schema, hanno implementato una cosiddetta porta olonomica che trasforma la parità dello stato quantistico nel numero di fotoni nel risonatore. La parità del numero di fotoni è una proprietà caratteristica del cat qubit: una sovrapposizione uguale dei due stati coerenti contiene solo sovrapposizioni di numeri di fotoni pari, mentre la stessa sovrapposizione ma con segno meno contiene solo sovrapposizioni di numeri di fotoni dispari. La parità fornisce quindi informazioni sullo stato in cui si trova il sistema quantistico.

Riprogettare la stabilizzazione dei qubit cat

Il team di Alice & Bob ha preparato e fotografato gli stati di sovrapposizione quantistica controllando allo stesso tempo la fase di queste sovrapposizioni e mantenendo un tempo di capovolgimento di bit di oltre 10 secondi e un tempo di capovolgimento di fase più lungo di 490 ns. La realizzazione completa di un computer quantistico con correzione degli errori su larga scala basato su cat qubit richiederà, tuttavia, non solo un buon controllo e una lettura veloce, ma anche un mezzo per garantire che il cat qubit rimanga stabile per un tempo sufficiente per eseguire calcoli. I ricercatori di Alice & Bob e ENS de Lyon hanno affrontato questo compito importante e impegnativo nel secondo studio.

Per realizzare un cat qubit stabilizzato, il sistema può essere guidato da un processo a due fotoni che inietta coppie di fotoni dissipando solo due fotoni alla volta. Questo di solito viene fatto accoppiando il cat qubit a un risonatore ausiliario e pompando un elemento chiamato SQUID asimmetrico (ATS) con impulsi a microonde sintonizzati con precisione. Questo approccio, tuttavia, presenta notevoli inconvenienti, come l’accumulo di calore, l’attivazione di processi indesiderati e la necessità di ingombranti componenti elettronici a microonde.

Per mitigare questi problemi, i ricercatori hanno riprogettato il meccanismo di dissipazione a due fotoni in modo che non richieda una pompa aggiuntiva. Invece di un ATS, hanno implementato il cat qubit in una modalità di oscillatore superconduttore accoppiata a una modalità ausiliaria con perdite tramite un elemento non lineare costituito da più giunzioni Josephson. L’elemento Josephson funge da “mixer” che consente di abbinare esattamente l’energia di due fotoni cat qubit a quella di un fotone nel risonatore ausiliario. Di conseguenza, in questo cosiddetto processo autoparametrico, le coppie di fotoni nel risonatore cat qubit vengono trasformate in un singolo fotone della modalità buffer senza la necessità di alcuna pompa a microonde aggiuntiva.

Progettando un circuito superconduttore con una struttura simmetrica, il team è riuscito ad accoppiare un risonatore di alta qualità con uno di bassa qualità attraverso lo stesso elemento Josephson. Hanno quindi aumentato il tasso di dissipazione di due fotoni di un fattore 10 rispetto ai risultati precedenti, con un tempo di capovolgimento del bit che si avvicinava a un secondo, in questo caso limitato dal transmone. È necessaria un’elevata velocità di dissipazione di due fotoni per una rapida manipolazione dei qubit e brevi cicli di correzione degli errori. Questi sono cruciali per correggere i restanti errori di inversione di fase in un codice di ripetizione di cat qubit.

Applicazioni future con i qubit cat

Gerhard Kirchmair, un fisico dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica di Innsbruck, in Austria, che non è stato coinvolto in nessuno dei due studi, afferma che entrambi i lavori descrivono passi importanti verso la realizzazione di un qubit completamente corretto dagli errori. "Questi sono i prossimi passi verso una correzione completa degli errori", afferma Kirchmair. “Dimostrano chiaramente che è possibile ottenere una protezione esponenziale contro i bit flip in questi sistemi, il che dimostra che questo approccio è praticabile per realizzare una correzione quantistica completa degli errori”.

I ricercatori riconoscono che permangono ostacoli significativi. Poiché la precisione della lettura utilizzando il protocollo della porta olonomica era piuttosto limitata, si vuole trovare il modo di migliorarla. Un altro passo importante sarà la dimostrazione delle porte che coinvolgono più cat qubit e il controllo se la protezione intrinseca bit-flip rimane. Inoltre, con la nuova configurazione del dispositivo autoparametrico per lo scambio di coppie di fotoni, il cofondatore di Alice & Bob, Raphaël Lescanne, prevede di essere in grado di stabilizzare un qubit cat utilizzando quattro diversi stati coerenti invece di solo due. “Il nostro obiettivo è utilizzare la forza di accoppiamento non lineare senza precedenti per stabilizzare un cat-qubit a quattro componenti, che offrirebbe on-site protezione dagli errori di inversione di fase insieme alla protezione dagli errori di inversione di bit", afferma Lescanne.

Perché Alice e Bob stanno realizzando cat qubit, IOP richiede un'azione sull'obiettivo net-zero

Kirchmair ritiene che questi risultati aprano la strada a schemi di correzione degli errori più elaborati che si basano su questi qubit fortemente distorti dal rumore, dove la velocità di capovolgimento del bit è molto inferiore alla velocità di capovolgimento della fase rimanente. "I prossimi passi riguarderanno il ridimensionamento di questo sistema per correggere anche i cambiamenti di fase, realizzando così un qubit completamente corretto dagli errori", dice Kirchmair Mondo della fisica. “Si potrebbe anche immaginare di combinare entrambi gli approcci in un unico sistema per ottenere il meglio da entrambi i risultati e migliorare ulteriormente i tempi di cambio bit”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/