Qubits Cat atingem um novo nível de estabilidade – Physics World

Qubits Cat atingem um novo nível de estabilidade – Physics World

Carimbo de hora: 5 de março de 2024 10h02


Foto de um chip retangular preso em uma pinça pela mão de uma pessoa com luva azul
Gato em um chip: Fotografia de um chip desenvolvido em Alice e Bob semelhante aos usados ​​nos experimentos. (Cortesia: Alice e Bob/Nil Hoppenot)

Os computadores quânticos poderiam superar a computação convencional em tarefas essenciais, mas estão sujeitos a erros que acabam por levar à perda de informação quântica, limitando os dispositivos quânticos atuais. Portanto, para alcançar processadores de informação quântica em larga escala, os cientistas precisam desenvolver e implementar estratégias para corrigir erros quânticos.

Pesquisadores da empresa de computação quântica com sede em Paris Alice e Bob, juntamente com colegas da ENS-PSL francesa e da ENS de Lyon, fizeram agora progressos significativos em direcção a uma solução, melhorando a estabilidade e o controlo dos chamados qubits de gato. Nomeados em homenagem ao famoso experimento mental de Erwin Schrödinger, esses bits quânticos usam estados coerentes de um ressonador quântico como seus estados lógicos. Os qubits Cat são promissores para correção quântica de erros porque são construídos a partir de estados coerentes, o que os torna intrinsecamente robustos contra certos tipos de erros do ambiente.

Um novo protocolo de medição

Os bits quânticos sofrem de dois tipos de erros: inversões de fase e inversões de bits. Na computação quântica, uma inversão de bit é um erro que altera o estado de um qubit de |0⟩ para |1⟩ ou vice-versa, análogo à inversão de um bit clássico de 0 para 1. Uma inversão de fase, por outro lado, é um erro que altera a fase relativa entre os componentes |0⟩ e |1⟩ do estado de superposição de um qubit. Os qubits Cat podem ser estabilizados contra erros de inversão de bits acoplando o qubit a um ambiente que troca preferencialmente pares de fótons com o sistema. Isso neutraliza de forma autônoma os efeitos de alguns erros que geram inversões de bits e garante que o estado quântico permaneça dentro do subespaço desejado com correção de erros. No entanto, o desafio da correção quântica de erros não envolve apenas a estabilização de qubits. Trata-se também de controlá-los sem quebrar os mecanismos que os mantêm estáveis.

Fotografia do projeto do circuito
Acoplamento Cat: Fotografia do projeto do circuito descrito no primeiro artigo. Um ressonador supercondutor hospedando o modo cat qubit (azul) se acopla a um modo auxiliar/buffer com perdas (vermelho). Pares de fótons da memória são convertidos em fótons tampão bombeando o elemento não linear (branco) através de duas linhas (amarela). (Cortesia: Réglade, Bocquet et al., Controle quântico de um cat-qubit com tempos de inversão de bits superiores a dez segundos, https://arxiv.org/abs/2307.06617)

In o primeiro de um par de estudos publicados no arXiv servidor de pré-impressão, e ainda não revisado por pares, pesquisadores da Alice & Bob, ENS-PSL e ENS de Lyon encontraram uma maneira de aumentar o tempo de inversão de bits para mais de 10 segundos – quatro ordens de magnitude a mais do que as implementações anteriores de cat-qubit – enquanto ainda controla totalmente o qubit do gato. Eles conseguiram isso introduzindo um protocolo de leitura que não compromete a proteção bit-flip em seu cat qubit, que consiste em uma superposição quântica de dois estados quânticos clássicos presos em um ressonador quântico supercondutor em um chip. Crucialmente, o novo esquema de medição que eles desenvolveram para ler e controlar esses estados de qubit não depende de elementos de controle físico adicionais, que anteriormente limitavam os tempos de inversão de bits alcançáveis.

Projetos de experimentos anteriores usaram um transmon supercondutor – um elemento quântico de dois níveis – para controlar e ler o estado do qubit do gato. Aqui, os pesquisadores desenvolveram um novo esquema de leitura e controle que usa o mesmo ressonador auxiliar que fornece o mecanismo de estabilização de dois fótons para o qubit gato. Como parte deste esquema, eles implementaram uma chamada porta holonômica que transforma a paridade do estado quântico no número de fótons no ressonador. A paridade do número de fótons é uma propriedade característica do qubit gato: uma superposição igual dos dois estados coerentes contém apenas superposições de números pares de fótons, enquanto a mesma superposição, mas com um sinal de menos, contém apenas superposições de números ímpares de fótons. A paridade, portanto, fornece informações sobre o estado em que o sistema quântico se encontra.

Redesenhando a estabilização de qubits de gatos

A equipe de Alice & Bob preparou e imaginou estados de superposição quântica enquanto também controlava a fase dessas superposições e mantinha um tempo de inversão de bits de mais de 10 segundos e um tempo de inversão de fase superior a 490 ns. A realização plena de um computador quântico em grande escala com correção de erros baseado em qubits de gato exigirá, no entanto, não apenas um bom controle e leitura rápida, mas também um meio de garantir que o qubit de gato permaneça estável por tempo suficiente para realizar cálculos. Pesquisadores de Alice & Bob e ENS de Lyon abordaram esta importante e desafiadora tarefa no segundo estudo.

Para realizar um qubit gato estabilizado, o sistema pode ser conduzido por um processo de dois fótons que injeta pares de fótons enquanto dissipa apenas dois fótons de uma vez. Isso geralmente é feito acoplando o qubit cat a um ressonador auxiliar e bombeando um elemento chamado SQUID de rosca assimétrica (ATS) com pulsos de microondas sintonizados com precisão. Esta abordagem, no entanto, apresenta desvantagens significativas, tais como acumulação de calor, activação de processos indesejados e a necessidade de electrónica de microondas volumosa.

Diagrama do projeto do circuito
Estendendo os tempos de inversão de bits: Projeto de circuito do segundo artigo. Em vez do tradicional elemento de mistura de quatro ondas (a) bombeado para converter pares de fótons do ressonador cat qubit (verde) em fótons tampão (azul), aqui a equipe de Alice e Bob/ENS de Lyon realiza um acoplamento com um três- elemento de mistura de ondas (b). Os esquemas do circuito, incluindo o elemento misturador de três ondas, são mostrados em (c), e uma fotografia do chip em (d). (Cortesia: Marquet et al., Ressonância autoparamétrica estendendo o tempo de inversão de bits de um qubit de gato em até 0.3 s, https://arxiv.org/abs/2307.06761)

Para mitigar esses problemas, os pesquisadores redesenharam o mecanismo de dissipação de dois fótons para que não exija tal bomba adicional. Em vez de um ATS, eles implementaram o qubit cat em um modo oscilador supercondutor acoplado a um modo auxiliar com perdas por meio de um elemento não linear que consiste em múltiplas junções Josephson. O elemento Josephson serve como um “misturador” que torna possível combinar exatamente a energia de dois fótons qubits de gato com a de um fóton no ressonador auxiliar. Como resultado, neste chamado processo autoparamétrico, pares de fótons no ressonador cat qubit são transformados em um único fóton do modo buffer sem a necessidade de qualquer bomba de micro-ondas adicional.

Foto do chip de Alice e Bob, segurado com uma pinça na mão enluvada de uma pessoa contra um fundo preto
Robusto contra erros de inversão de bits: outra visão do chip Alice e Bob. (Cortesia: Alice & Bob/Nil Hoppenot)

Ao projetar um circuito supercondutor com estrutura simétrica, a equipe conseguiu acoplar um ressonador de alta qualidade a outro de baixa qualidade por meio do mesmo elemento Josephson. Assim, eles aumentaram a taxa de dissipação de dois fótons por um fator de 10 em comparação com os resultados anteriores, com um tempo de inversão de bits próximo de um segundo – neste caso limitado pelo transmon. Uma alta taxa de dissipação de dois fótons é necessária para manipulação rápida de qubits e ciclos curtos de correção de erros. Eles são cruciais para corrigir os erros restantes de inversão de fase em um código de repetição de qubits cat.

Aplicações futuras com qubits cat

Gerhard Kirchmair, físico do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica em Innsbruck, Áustria, que não esteve envolvido em nenhum dos estudos, diz que ambos os trabalhos descrevem passos importantes para a realização de um qubit totalmente corrigido de erros. “Estes são os próximos passos para uma correção completa de erros”, diz Kirchmair. “Eles demonstram claramente que é possível obter proteção exponencial contra inversões de bits nesses sistemas, o que demonstra que esta abordagem é viável para realizar a correção completa de erros quânticos.”

Os pesquisadores reconhecem que permanecem obstáculos significativos. Como a precisão da leitura usando o protocolo de porta holonômica era bastante limitada, eles querem encontrar maneiras de melhorá-la. Demonstrar portas envolvendo vários qubits cat e verificar se a proteção inerente contra inversão de bits permanece será outro passo importante. Além disso, com o novo dispositivo autoparamétrico configurado para trocar pares de fótons, o cofundador da Alice & Bob, Raphaël Lescanne, prevê ser capaz de estabilizar um qubit de gato usando quatro estados coerentes diferentes em vez de apenas dois. “Nosso objetivo é usar a força de acoplamento não linear sem precedentes para estabilizar um cat-qubit de quatro componentes, o que ofereceria no local proteção contra erros de inversão de fase junto com proteção contra erros de inversão de bits”, diz Lescanne.

Kirchmair acredita que esses resultados abrem caminho para esquemas de correção de erros mais elaborados, baseados nesses qubits fortemente influenciados por ruído, onde a taxa de inversão de bits é muito menor do que a taxa de inversão de fase restante. “As próximas etapas serão dimensionar este sistema para também corrigir as inversões de fase, obtendo assim um qubit totalmente corrigido de erros”, disse Kirchmair. Mundo da física. “Poderíamos até imaginar combinar ambas as abordagens em um sistema para obter o melhor de ambos os resultados e melhorar ainda mais os tempos de troca de bits.”

Carimbo de hora:

Mais de Mundo da física