Kubity Cat osiągają nowy poziom stabilności – Świat Fizyki

Komputery kwantowe mogłyby przewyższać konwencjonalne obliczenia w podstawowych zadaniach, ale są podatne na błędy, które ostatecznie prowadzą do utraty informacji kwantowej, ograniczając dzisiejsze urządzenia kwantowe. Dlatego, aby stworzyć wielkoskalowe kwantowe procesory informacji, naukowcy muszą opracować i wdrożyć strategie korygowania błędów kwantowych.

Naukowcy z paryskiej firmy zajmującej się obliczeniami kwantowymi Alicja i Bobwraz z kolegami z francuskich ENS–PSL i ENS de Lyon poczynili obecnie znaczne postępy w kierunku rozwiązania poprzez zwiększenie stabilności i kontroli tzw. kubity kotów. Te bity kwantowe, nazwane na cześć słynnego eksperymentu myślowego Erwina Schrödingera, wykorzystują jako stany logiczne spójne stany rezonatora kwantowego. Kubity Cat są obiecujące pod względem korekcji błędów kwantowych, ponieważ są zbudowane ze spójnych stanów, co czyni je wewnętrznie odpornymi na określone typy błędów ze środowiska.

Nowy protokół pomiarowy

W bitach kwantowych występują dwa rodzaje błędów: odwracanie fazy i odwracanie bitów. W informatyce kwantowej odwrócenie bitu to błąd, który zmienia stan kubitu z |0⟩ na |1⟩ i odwrotnie, analogicznie do odwracania klasycznego bitu z 0 na 1. Z drugiej strony odwrócenie fazy jest błąd zmieniający fazę względną pomiędzy składowymi |0⟩ i |1⟩ stanu superpozycji kubitu. Kubity Cat można ustabilizować przed błędami odwracania bitów, łącząc kubit ze środowiskiem, które preferencyjnie wymienia pary fotonów z systemem. To autonomicznie przeciwdziała skutkom niektórych błędów generujących przerzucanie bitów i zapewnia, że ​​stan kwantowy pozostaje w pożądanej podprzestrzeni skorygowanej o błędy. Jednak wyzwanie związane z korekcją błędów kwantowych nie polega tylko na stabilizacji kubitów. Chodzi także o kontrolowanie ich bez niszczenia mechanizmów zapewniających ich stabilność.

In pierwszy z pary badań opublikowanych na stronie arXiv preprint serwera i nie został jeszcze poddany recenzji naukowej, badacze z Alice & Bob, ENS-PSL i ENS de Lyon znaleźli sposób na wydłużenie czasu przerzucania bitów do ponad 10 sekund – czyli o cztery rzędy wielkości dłużej niż poprzednie implementacje cat-kubitu – jednocześnie w pełni kontrolując kubit kota. Osiągnęli to poprzez wprowadzenie protokołu odczytu, który nie narusza zabezpieczenia przed przerzuceniem bitów w kubicie kota, który składa się z kwantowej superpozycji dwóch klasycznych stanów kwantowych uwięzionych w nadprzewodzącym rezonatorze kwantowym na chipie. Co najważniejsze, nowy schemat pomiarowy opracowany do odczytywania i kontrolowania stanów kubitów nie opiera się na dodatkowych fizycznych elementach sterujących, które wcześniej ograniczały osiągalne czasy przerzucania bitów.

W poprzednich projektach eksperymentów wykorzystywano nadprzewodzący transmon – dwupoziomowy element kwantowy – do kontrolowania i odczytywania stanu kubitu kota. W tym przypadku badacze opracowali nowy schemat odczytu i sterowania, który wykorzystuje ten sam rezonator pomocniczy, który zapewnia dwufotonowy mechanizm stabilizacji kubitu kota. W ramach tego schematu zaimplementowano tzw. bramkę holonomiczną, która przekształca parzystość stanu kwantowego na liczbę fotonów w rezonatorze. Parzystość liczby fotonów jest charakterystyczną właściwością kubitu kota: równa superpozycja dwóch stanów spójnych zawiera tylko superpozycje parzystych liczb fotonów, natomiast ta sama superpozycja, ale ze znakiem minus, zawiera tylko superpozycje nieparzystych liczb fotonów. Parzystość dostarcza zatem informacji o tym, w jakim stanie znajduje się układ kwantowy.

Przeprojektowanie stabilizacji kubitów kota

Zespół Alice i Bob przygotował i zobrazował stany superpozycji kwantowych, kontrolując jednocześnie fazę tych superpozycji i utrzymując czas odwrócenia bitu wynoszący ponad 10 sekund i czas odwrócenia fazy dłuższy niż 490 ns. Pełna realizacja wielkoskalowego komputera kwantowego z korekcją błędów, opartego na kubitach Cat będzie jednak wymagać nie tylko dobrej kontroli i szybkiego odczytu, ale także środków zapewniających stabilność kubitu Cat przez wystarczająco długi czas, aby możliwe było wykonanie obliczeń. Naukowcy z Alice & Bob i ENS de Lyon zajęli się tym ważnym i trudnym zadaniem w ramach projektu drugie badanie.

Aby zrealizować ustabilizowany kubit kota, system może być sterowany procesem dwufotonowym, który wprowadza pary fotonów, jednocześnie rozpraszając tylko dwa fotony. Zwykle odbywa się to poprzez połączenie kubitu kota z pomocniczym rezonatorem i pompowanie elementu zwanego asymetrycznie gwintowanym SQUID (ATS) za pomocą precyzyjnie dostrojonych impulsów mikrofalowych. To podejście ma jednak istotne wady, takie jak gromadzenie się ciepła, aktywacja niepożądanych procesów i konieczność stosowania nieporęcznej elektroniki mikrofalowej.

Aby złagodzić te problemy, naukowcy przeprojektowali mechanizm rozpraszania dwóch fotonów, tak aby nie wymagał on dodatkowej pompy. Zamiast ATS zaimplementowano kubit kota w trybie oscylatora nadprzewodzącego połączony ze stratnym trybem pomocniczym za pośrednictwem elementu nieliniowego składającego się z wielu złączy Josephsona. Element Josephsona pełni funkcję „miksera”, który umożliwia dokładne dopasowanie energii dwóch fotonów kubitu kota do energii jednego fotonu w rezonatorze pomocniczym. W rezultacie w tak zwanym procesie autoparametrycznym pary fotonów w rezonatorze kubitowym Cat przekształcają się w pojedynczy foton trybu buforowego bez konieczności stosowania dodatkowej pompy mikrofalowej.

Projektując obwód nadprzewodzący o symetrycznej strukturze, zespołowi udało się połączyć rezonator wysokiej jakości z rezonatorem niskiej jakości za pomocą tego samego elementu Josephsona. W ten sposób zwiększyli współczynnik rozpraszania dwóch fotonów 10-krotnie w porównaniu z poprzednimi wynikami, przy czasie odwrócenia bitu zbliżającym się do jednej sekundy – w tym przypadku ograniczonym przez transmon. Do szybkiej manipulacji kubitami i krótkich cykli korekcji błędów potrzebny jest wysoki współczynnik rozpraszania dwóch fotonów. Są one kluczowe dla skorygowania pozostałych błędów odwrócenia fazy w kodzie powtórzeń kubitów cat.

Przyszłe zastosowania z kubitami kota

Gerharda Kirchmaira, fizyk z Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej w Innsbrucku w Austrii, który nie był zaangażowany w żadne z badań, twierdzi, że obie prace opisują ważne kroki w kierunku realizacji kubitu w pełni skorygowanego o błędy. „To kolejne kroki w kierunku pełnej korekcji błędów” – mówi Kirchmair. „Wyraźnie pokazują, że w tych systemach możliwe jest osiągnięcie wykładniczej ochrony przed odwracaniem bitów, co pokazuje, że to podejście jest wykonalne w celu realizacji pełnej korekcji błędów kwantowych”.

Naukowcy przyznają, że nadal istnieją istotne przeszkody. Ponieważ dokładność odczytu przy użyciu protokołu bramki holonomicznej była raczej ograniczona, chcą znaleźć sposoby na jej ulepszenie. Kolejnym ważnym krokiem będzie wykazanie bramek obejmujących wiele kubitów typu cat i sprawdzenie, czy istnieje nieodłączne zabezpieczenie przed przerzuceniem bitów. Co więcej, dzięki nowej konfiguracji urządzenia autoparametrycznego do wymiany par fotonów, współzałożyciel Alice & Bob, Raphaël Lescanne, przewiduje, że będzie w stanie ustabilizować kubit kota przy użyciu czterech różnych stanów spójnych zamiast tylko dwóch. „Naszym celem jest wykorzystanie niespotykanej dotąd nieliniowej siły sprzężenia do stabilizacji czteroskładnikowego cat-kubitu, który zapewniałby in situ zabezpieczenie przed błędami odwrócenia fazy i zabezpieczenie przed błędami odwrócenia bitu” – mówi Lescanne.

Dlaczego Alice i Bob tworzą kubity typu cat, IOP wzywa do działania w przypadku celu zerowego netto

Kirchmair uważa, że ​​wyniki te torują drogę dla bardziej wyszukanych schematów korekcji błędów opierających się na kubitach silnie obciążonych szumem, w których współczynnik odwrócenia bitów jest znacznie niższy niż współczynnik odwrócenia pozostałej fazy. „Następnymi krokami będzie skalowanie tego systemu, aby korygować także odwrócenia faz, w ten sposób uzyskując kubit w pełni skorygowany o błędy” – mówi Kirchmair Świat Fizyki. „Można nawet wyobrazić sobie połączenie obu podejść w jednym systemie, aby maksymalnie wykorzystać oba wyniki i jeszcze bardziej skrócić czas przerzucania bitów”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/