קיוביטים של חתולים מגיעים לרמה חדשה של יציבות - עולם הפיזיקה

קיוביטים של חתולים מגיעים לרמה חדשה של יציבות - עולם הפיזיקה

חותמת זמן: 5 במרץ 2024 10:02


תמונה של שבב מלבני המוחזק בזוג פינצטה על ידי ידו של אדם בעל כפפות כחולות
חתול על שבב: צילום של שבב שפותח אצל אליס ובוב הדומה לאלו ששימשו בניסויים. (באדיבות: אליס ובוב/ניל הופנוט)

מחשבים קוונטיים יכולים לעלות על המחשוב המקובל במשימות חיוניות, אבל הם מועדים לשגיאות שבסופו של דבר מובילות לאובדן מידע קוונטי, מה שמגביל את המכשירים הקוונטיים של היום. לכן, כדי להשיג מעבדי מידע קוונטי בקנה מידה גדול, מדענים צריכים לפתח וליישם אסטרטגיות לתיקון שגיאות קוונטיות.

חוקרים בחברת המחשוב הקוונטי שבסיסה בפריז אליס ובוב, יחד עם עמיתים ב-ENS–PSL בצרפת וב-ENS de Lyon, עשו כעת צעדים משמעותיים לקראת פתרון על ידי שיפור היציבות והשליטה של ​​מה שנקרא קיוביטים של חתולים. על שם ניסוי המחשבה המפורסם של ארווין שרדינגר, סיביות קוונטיות אלה משתמשות במצבים קוהרנטיים של מהוד קוונטי כמצבים הלוגיים שלהם. קיוביטים של חתולים מבטיחים לתיקון שגיאות קוונטי מכיוון שהם בנויים ממצבים קוהרנטיים, מה שהופך אותם לחזקים באופן מהותי מול סוגים מסוימים של שגיאות מהסביבה.

פרוטוקול מדידה חדש

ביטים קוונטיים סובלים משני סוגים של שגיאות: היפוך פאזה והיפוך סיביות. במחשוב קוונטי, היפוך סיביות הוא שגיאה המשנה את המצב של קיוביט מ-|0⟩ ל-|1⟩ או להיפך, בדומה להיפוך סיביות קלאסית מ-0 ל-1. היפוך פאזה, לעומת זאת, הוא שגיאה שמשנה את הפאזה היחסית בין הרכיבים |0⟩ ו-|1⟩ של מצב הסופרפוזיציה של קיוביט. ניתן לייצב קיוביטים של Cat נגד שגיאות היפוך סיביות על ידי צימוד הקיוביט לסביבה המחליפה זוגות פוטונים עם המערכת באופן מועדף. זה נוגד באופן אוטונומי את ההשפעות של שגיאות מסוימות שיוצרות היפוך סיביות ומבטיח שהמצב הקוונטי יישאר בתוך תת-המרחב המתוקן שגיאות רצוי. עם זאת, האתגר של תיקון שגיאות קוונטי הוא לא רק בייצוב קיוביטים. מדובר גם בשליטה בהם מבלי לשבור את המנגנונים השומרים על יציבותם.

צילום של תכנון המעגל
צימוד חתול: צילום של עיצוב המעגל המתואר במאמר הראשון. מהוד מוליך-על המארח את מצב ה-cat qubit (כחול) מתחבר למצב עזר/חיץ מאבד (אדום). זוגות של פוטונים מהזיכרון מומרים לפוטוני חיץ על ידי שאיבת האלמנט הלא ליניארי (לבן) דרך שני קווים (צהוב). (באדיבות: Réglade, Bocquet et al., בקרת קוונטים של cat-qubit עם זמני היפוך סיביות העולה על עשר שניות, https://arxiv.org/abs/2307.06617)

In 1 של זוג מחקרים שפורסמו על arXiv שרת קדם-הדפסה, ועדיין לא זכה לביקורת עמיתים, חוקרים ב-Alice & Bob, ENS-PSL ו-ENS de Lyon מצאו דרך להגדיל את זמן הפלת הסיביות ליותר מ-10 שניות - ארבעה סדרי גודל יותר מהטמעות קודמות של cat-qubit - תוך שליטה מלאה ב-cat qubit. הם השיגו זאת על ידי הצגת פרוטוקול קריאה שאינו מתפשר על הגנת ה-bit flip ב-cat qubit שלהם, המורכב מסופרפוזיציה קוונטית של שני מצבים קוונטיים קלאסיים הכלואים במהוד קוונטי מוליך-על בשבב. באופן מכריע, ערכת המדידה החדשה שהם המציאו לקריאה ושליטה במצבי הקיוביט הללו אינה מסתמכת על רכיבי בקרה פיזיים נוספים, שהגבילו בעבר את זמני היפוך הסיביות הניתנים להשגה.

עיצובי ניסוי קודמים השתמשו בטרנסמון מוליך-על - אלמנט קוונטי דו-מפלסי - כדי לשלוט ולקרוא את מצב הקיוביט החתול. כאן, החוקרים המציאו ערכת קריאה ובקרה חדשה המשתמשת באותו מהוד עזר המספק את מנגנון ייצוב שני הפוטונים עבור הקיוביט של החתול. כחלק מהתכנית הזו, הם יישמו שער הולונומי שנקרא שהופך את השוויון של המצב הקוונטי למספר הפוטונים במהוד. שוויון מספר הפוטונים הוא תכונה אופיינית של קיוביט החתול: סופרפוזיציה שווה של שני המצבים הקוהרנטיים מכילה רק סופרפוזיציה של מספרי פוטון זוגיים, בעוד שאותה סופרפוזיציה אך עם סימן מינוס מכילה רק סופרפוזיציה של מספרי פוטון אי זוגיים. לכן השוויון מספק מידע לגבי המצב שבו נמצאת המערכת הקוונטית.

עיצוב מחדש של ייצוב קיוביטים של חתולים

צוות אליס ובוב הכין וצילם מצבי סופרפוזיציה קוונטית תוך שליטה על הפאזה של סופרפוזיציות אלו ושמר על זמן היפוך סיביות של למעלה מ-10 שניות וזמן היפוך פאזה ארוך מ-490 ns. מימוש מלא של מחשב קוונטי מתוקן שגיאות בקנה מידה גדול המבוסס על קיוביטים של חתולים ידרוש לא רק שליטה טובה וקריאה מהירה, אלא גם אמצעי להבטיח שהקיוביט החתול יישאר יציב מספיק זמן כדי לבצע חישובים. חוקרים מאליס ובוב ומ-ENS דה ליון התייחסו למשימה החשובה והמאתגרת הזו מחקר שני.

כדי לממש קיוביט חתול מיוצב, המערכת יכולה להיות מונעת על ידי תהליך שני פוטונים המחדיר זוגות של פוטונים תוך פיזור של שני פוטונים בלבד בבת אחת. זה נעשה בדרך כלל על ידי צימוד ה-cat qubit לתהודה עזר ושאיבת אלמנט הנקרא SQUID אסימטרי-הברגה (ATS) עם פולסי מיקרוגל מכוונים במדויק. עם זאת, גישה זו טומנת בחובה חסרונות משמעותיים, כגון הצטברות חום, הפעלה של תהליכים לא רצויים והצורך של אלקטרוניקה מיקרוגל מגושם.

תרשים של עיצוב מעגל
הרחבת זמני היפוך סיביות: עיצוב מעגל מהנייר השני. במקום אלמנט הערבוב המסורתי של ארבעת הגלים (א) הנשאב כדי להמיר זוגות של פוטונים של מהוד הקיוביט החתול (ירוק) לפוטוני חיץ (כחול), כאן מבינים צוות אליס ובוב/ENS דה ליון צימוד עם שלושה- אלמנט ערבוב גלים (ב). הסכמות של המעגל, כולל אלמנט ערבוב שלושת הגלים, מוצגות ב-(c), ותצלום של השבב ב-(d). (באדיבות: Marquet וחב', תהודה אוטו-פרמטרית מאריכה את זמן הפלת הסיביות של קיוביט חתול עד 0.3 שניות, https://arxiv.org/abs/2307.06761)

כדי למתן את הבעיות הללו, החוקרים תכננו מחדש את מנגנון פיזור שני הפוטונים כך שלא ידרוש משאבה נוספת כזו. במקום ATS, הם יישמו את ה-cat qubit במצב מתנד מוליך-על בצירוף מצב עזר אובד באמצעות אלמנט לא ליניארי המורכב ממספר רב של צמתים ג'וזפסון. אלמנט ג'וזפסון משמש כ"מערבל" המאפשר להתאים בדיוק את האנרגיה של שני פוטוני קיוביט חתולים לזו של פוטון אחד במהוד העזר. כתוצאה מכך, בתהליך הנקרא אוטו-פרמטרי זה, זוגות פוטונים במהוד ה-cat qubit הופכים לפוטון בודד של מצב חיץ ללא צורך במשאבת מיקרוגל נוספת.

תמונה של השבב של אליס ובוב, מוחזק בפינצטה בידו של אדם עטוי כפפה על רקע שחור
חסון נגד שגיאות היפוך סיביות: תצוגה נוספת של שבב אליס ובוב. (באדיבות: אליס ובוב/ניל הופנוט)

על ידי תכנון מעגל מוליך בעל מבנה סימטרי, הצוות הצליח לחבר תהודה איכותית עם תהודה נמוכה דרך אותו אלמנט ג'וזפסון. בכך הם הגדילו את קצב פיזור שני הפוטונים בפקטור של 10 בהשוואה לתוצאות קודמות, כאשר זמן היפוך סיביות מתקרב לשנייה אחת - במקרה זה מוגבל על ידי הטרנסמון. יש צורך בקצב פיזור גבוה של שני פוטונים עבור מניפולציה מהירה של קיוביט ומחזורי תיקון שגיאות קצרים. אלה חיוניים לתיקון שגיאות היפוך השלב הנותרות בקוד חזרה של קיוביטים של חתולים.

יישומים עתידיים עם קיוביטים לחתולים

גרהרד קירכמאיר, פיזיקאי במכון לאופטיקה קוונטית ומידע קוונטי באינסברוק, אוסטריה, שלא היה מעורב באף אחד מהמחקרים, אומר ששתי העבודות מתארות שלבים חשובים לקראת מימוש קיוביט מתוקן שגיאות מלא. "אלה הם הצעדים הבאים לקראת תיקון שגיאות מלא", אומר קירכמאיר. "הם מדגימים בבירור שאפשר להשיג הגנה אקספוננציאלית מפני היפוך סיביות במערכות אלו, מה שמוכיח שגישה זו ברת קיימא למימוש תיקון שגיאות קוונטי מלא."

החוקרים מודים כי נותרו מכשולים משמעותיים. מכיוון שהדיוק של הקריאה באמצעות פרוטוקול השער ההולונומי היה מוגבל למדי, הם רוצים למצוא דרכים לשפר אותו. הדגמת שערים הכוללים קיוביטים מרובים של חתולים ובדיקה אם הגנת ה-bit-flip המובנית נשארת תהיה שלב חשוב נוסף. יתר על כן, עם הגדרת המכשיר האוטו-פרמטרי החדש להחלפת זוגות של פוטונים, מייסד שותף של אליס ובוב, רפאל לסקאן, צופה שיוכלו לייצב קיוביט חתול באמצעות ארבעה מצבים קוהרנטיים שונים במקום שניים בלבד. "המטרה שלנו היא להשתמש בחוזק הצימוד הלא ליניארי חסר התקדים כדי לייצב קט-קווביט בן ארבעה רכיבים, שיציע באתרו הגנה על שגיאות היפוך שלב יחד עם הגנה על שגיאות היפוך סיביות", אומר לסקאן.

Kirchmair מאמינה שתוצאות אלו סוללות את הדרך לסכימות תיקון שגיאות משוכללות יותר הנשענות על הקיוביטים המוטיים ברעש, שבהם קצב היפוך הסיביות נמוך בהרבה מקצב היפוך השלב הנותר. "השלבים הבאים יהיו קנה מידה של מערכת זו כך שתתקן גם תהפוכות פאזה ובכך יממש קיוביט מתוקן שגיאות במלואו", אומר קירשמאייר עולם הפיזיקה. "אפשר אפילו לדמיין שילוב של שתי הגישות במערכת אחת כדי להפיק את המיטב משתי התוצאות ולשפר עוד יותר את זמני הפיכת הסיביות."

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה