Qubiții de pisică ating un nou nivel de stabilitate – Physics World

Calculatoarele cuantice ar putea depăși calculul convențional în sarcini esențiale, dar sunt predispuse la erori care duc în cele din urmă la pierderea informațiilor cuantice, limitând dispozitivele cuantice de astăzi. Prin urmare, pentru a realiza procesoare de informații cuantice la scară largă, oamenii de știință trebuie să dezvolte și să implementeze strategii pentru corectarea erorilor cuantice.

Cercetători de la firma de calcul cuantic din Paris Alice și Bob, împreună cu colegii de la ENS–PSL și ENS de Lyon din Franța, au făcut acum pași semnificativi către o soluție prin îmbunătățirea stabilității și controlului așa-numitelor pisica qubits. Numiți după faimosul experiment de gândire al lui Erwin Schrödinger, acești biți cuantici folosesc stări coerente ale unui rezonator cuantic ca stări logice. Qubiții Cat sunt promițători pentru corectarea erorilor cuantice, deoarece sunt construiți din stări coerente, ceea ce îi face intrinsec robusti împotriva anumitor tipuri de erori din mediu.

Un nou protocol de măsurare

Biții cuantici suferă de două tipuri de erori: flip flip și bit flip. În calculul cuantic, un bit flip este o eroare care schimbă starea unui qubit de la |0⟩ la |1⟩ sau invers, analog cu inversarea unui bit clasic de la 0 la 1. O schimbare de fază, pe de altă parte, este o eroare care modifică faza relativă dintre componentele |0⟩ și |1⟩ ale stării de suprapunere a unui qubit. Qubiții Cat pot fi stabilizați împotriva erorilor de schimbare a bitului prin cuplarea qubitului la un mediu care schimbă preferabil perechi de fotoni cu sistemul. Acest lucru contracarează în mod autonom efectele unor erori care generează inversări de biți și asigură că starea cuantică rămâne în subspațiul corectat de eroare dorit. Cu toate acestea, provocarea corectării erorilor cuantice nu se referă doar la stabilizarea qubiților. Este, de asemenea, să le controlezi fără a rupe mecanismele care le mențin stabile.

In prima a unei perechi de studii postate pe arXiv Serverul de pretipărire și încă nerevizuit de către colegii, cercetătorii de la Alice & Bob, ENS-PSL și ENS de Lyon au găsit o modalitate de a crește timpul de întoarcere a biților la mai mult de 10 secunde – cu patru ordine de mărime mai lung decât implementările anterioare cat-qubit – în timp ce încă controlați pe deplin qubit-ul pisicii. Ei au reușit acest lucru prin introducerea unui protocol de citire care nu compromite protecția bit-flip în qubit-ul lor cat, care constă într-o suprapunere cuantică a două stări cuantice clasice prinse într-un rezonator cuantic supraconductor pe un cip. În mod esențial, noua schemă de măsurare concepută de ei pentru citirea și controlul acestor stări de qubit nu se bazează pe elemente de control fizic adiționale, care limitau anterior timpii realizabili de inversare a biților.

Experimentele anterioare au folosit un transmon supraconductor - un element cuantic cu două niveluri - pentru a controla și a citi starea qubit-ului pisicii. Aici, cercetătorii au conceput o nouă schemă de citire și control care utilizează același rezonator auxiliar care oferă mecanismul de stabilizare cu doi fotoni pentru qubit-ul pisicii. Ca parte a acestei scheme, au implementat o așa-numită poartă holonomică care transformă paritatea stării cuantice în numărul de fotoni din rezonator. Paritatea numărului de fotoni este o proprietate caracteristică a qubitului de pisică: o suprapunere egală a celor două stări coerente conține doar suprapuneri ale numerelor de fotoni pare, în timp ce aceeași suprapunere, dar cu semnul minus, conține doar suprapuneri de numere de fotoni impari. Prin urmare, paritatea oferă informații despre starea în care se află sistemul cuantic.

Reproiectarea stabilizării qubits de pisică

Echipa Alice & Bob a pregătit și a fotografiat stările de suprapunere cuantică, controlând în același timp faza acestor suprapoziții și menținând un timp de inversare a biților de peste 10 secunde și un timp de inversare a fazei mai mare de 490 ns. Realizarea completă a unui computer cuantic la scară largă cu corectare a erorilor bazat pe qubit-uri de pisică va necesita, totuși, nu numai un control bun și o citire rapidă, ci și un mijloc de a se asigura că qubit-ul de pisică rămâne stabil suficient de mult timp pentru a efectua calcule. Cercetătorii de la Alice & Bob și ENS de Lyon au abordat această sarcină importantă și provocatoare în al doilea studiu.

Pentru a realiza un qubit de pisică stabilizat, sistemul poate fi condus printr-un proces cu doi fotoni care injectează perechi de fotoni în timp ce disipă doar doi fotoni simultan. Acest lucru se face de obicei prin cuplarea pisicii qubit la un rezonator auxiliar și pomparea unui element numit SQUID cu filet asimetric (ATS) cu impulsuri de microunde reglate precis.. Această abordare, totuși, prezintă dezavantaje semnificative, cum ar fi acumularea de căldură, activarea proceselor nedorite și necesitatea unor electronice voluminoase pentru microunde.

Pentru a atenua aceste probleme, cercetătorii au reproiectat mecanismul de disipare a doi fotoni, astfel încât să nu necesite o astfel de pompă suplimentară. În loc de un ATS, au implementat qubit-ul cat într-un mod de oscilator supraconductor cuplat la un mod auxiliar cu pierderi printr-un element neliniar format din mai multe joncțiuni Josephson. Elementul Josephson servește ca un „mixer” care face posibilă potrivirea exactă a energiei a doi fotoni cat qubit cu cea a unui foton din rezonatorul auxiliar. Ca rezultat, în acest așa-numit proces autoparametric, perechile de fotoni din rezonatorul cat qubit sunt transformați într-un singur foton al modului tampon fără a fi nevoie de vreo pompă suplimentară de microunde.

Prin proiectarea unui circuit supraconductor cu o structură simetrică, echipa a reușit să cupleze un rezonator de înaltă calitate cu unul de calitate scăzută prin același element Josephson. Au crescut astfel rata de disipare a doi fotoni cu un factor de 10 comparativ cu rezultatele anterioare, cu un timp de inversare a biților apropiindu-se de o secundă – în acest caz limitat de transmon. Este necesară o rată mare de disipare a doi fotoni pentru manipularea rapidă a qubitului și cicluri scurte de corectare a erorilor. Acestea sunt esențiale pentru corectarea erorilor de fază rămase într-un cod de repetiție de qubits cat.

Aplicații viitoare cu cat qubits

Gerhard Kirchmair, un fizician la Institutul de Optică Cuantică și Informații Cuantice din Innsbruck, Austria, care nu a fost implicat în niciunul dintre studii, spune că ambele lucrări descriu pași importanți către realizarea unui qubit complet corectat de erori. „Aceștia sunt următorii pași către corectarea completă a erorilor”, spune Kirchmair. „Ei demonstrează în mod clar că este posibil să se obțină protecție exponențială împotriva inversării biților în aceste sisteme, ceea ce demonstrează că această abordare este viabilă pentru a realiza corectarea completă a erorilor cuantice.”

Cercetătorii recunosc că rămân obstacole semnificative. Deoarece acuratețea citirii folosind protocolul porții holonomice a fost destul de limitată, ei doresc să găsească modalități de a o îmbunătăți. Demonstrarea porților care implică mai mulți qubit-uri de pisică și verificarea dacă rămâne protecția inerentă de întorsătură a biților va fi un alt pas important. În plus, cu noul dispozitiv autoparametric configurat pentru a schimba perechi de fotoni, co-fondatorul Alice & Bob Raphaël Lescanne anticipează că va putea stabiliza un qubit de pisică folosind patru stări coerente diferite în loc de doar două. „Scopul nostru este să folosim puterea de cuplare neliniară fără precedent pentru a stabiliza un cat-qubit cu patru componente, care ar oferi in situ protecția împotriva erorilor de fază de fază împreună cu protecția împotriva erorilor de inversare a biților”, spune Lescanne.

De ce Alice și Bob fac qubit-uri de pisică, IOP solicită acțiune asupra țintei net-zero

Kirchmair consideră că aceste rezultate deschid calea pentru scheme de corectare a erorilor mai elaborate, bazându-se pe acești qubiți puternic influențați de zgomot, unde rata de inversare a biților este mult mai mică decât rata de inversare a fazei rămase. „Pașii următori vor fi scalarea acestui sistem pentru a corecta și inversările de fază, realizând astfel un qubit complet corectat de erori”, spune Kirchmair. Lumea fizicii. „S-ar putea chiar imagina combinarea ambelor abordări într-un singur sistem pentru a obține cele mai bune rezultate din ambele rezultate și pentru a îmbunătăți și mai mult timpii de întoarcere a biților.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/