Schimbul rapid de fotoni formează o poartă cuantică de înaltă calitate – Physics World

Schimbul rapid de fotoni formează o poartă cuantică de înaltă calitate – Physics World

Marca temporală: 7 septembrie 2023 12:54

Poza cuplajului SAIL în carcasa sa din aluminiu, împământat de panglici de cupru împletit
Speedy SAIL: Structura experimentală care adăpostește cele două cavități și elementul de cuplare SAIL. (Cu amabilitatea: Stijn de Graaf și Sophia H Xue)

Calculatoarele cuantice ar putea revoluționa știința, dar biții cuantici (qubiții) pe care rulează sunt fragili. Capacitatea de a manipula rapid acești qubiți, înainte ca interacțiunile cu mediul lor să provoace decăderea informațiilor cuantice din ei, este, prin urmare, crucială pentru calculele cuantice.

O modalitate promițătoare de a stoca un bit cuantic este codificarea acestuia în nivelurile discrete de energie ale luminii într-un rezonator cuantic, cum ar fi o cavitate supraconductoare. Manipularea mai multor astfel de cavități, totuși, poate fi o provocare din cauza interacțiunilor false sau a canalelor de eroare suplimentare care afectează informațiile cuantice stocate. Cercetătorii de la Institutul cuantic Yale în SUA au găsit acum o soluție parțială la această problemă prin proiectarea unui sistem care trece rapid fotonii dintr-o cavitate în alta fără a deteriora stările cuantice ale fotonilor. Acest rezultat este un pas esențial către porți cuantice rapide și de înaltă calitate pentru computerele cuantice bazate pe rezonatoare.

Proiectează o interacțiune beam-splitter folosind un melc

În studiul, care este publicat în PRX Quantum, cercetători în Laboratorul lui Robert Schoelkopf la Yale a folosit un element de cuplare numit melc (element inductiv superconductor neliniar asimetric) pentru a media o interacțiune de schimb între două cavități supraconductoare de microunde. Prin reglarea melcului folosind un câmp magnetic extern, au suprimat interacțiunile false dintre cele două cavități, lăsând doar așa-numitele „divizor de fascicul luminos" interacţiune. Similar cu optica liniară în care un fascicul de lumină poate fi împărțit în două folosind (de exemplu) o oglindă semi-transparentă, această interacțiune permite celor două cavități să facă schimb de excitații la un raport de 50:50 pentru un anumit timp de interacțiune.

Rapidly swapping photons make a high-quality quantum gate   – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.
Model schematic: Cele două cavități supraconductoare de microunde, denumite în mod tradițional Alice și Bob, sunt cuplate prin melc, care este controlat de un câmp magnetic. (Cu amabilitatea: Benjamin A Chapman et al., Interacțiunea înaltă pornire-oprire a fasciculului-separator pentru porți pe qubiți codificați bosonic, PRX Quantum 4, 020355, https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.020355)

Pentru a demonstra acest lucru, cercetătorii au inițializat un rezonator cu un singur foton, lăsând celălalt rezonator în vid. Când au reglat cuplul SAIL la regimul optim de lucru, au observat cele două cavități schimbând fotonul între ele de 500 de ori înainte ca sistemul să se decoereze (adică și-a pierdut natura cuantică din cauza interacțiunilor reziduale cu mediul), cu un timp de doar 250 de nanosecunde per swap.

One of the researchers’ goals was for the resonators to swap photons rapidly when the coupling is on, while ensuring that the cavities do not interact when the interaction is turned off, thereby avoiding detrimental effects on the stored quantum information. To this end, the researchers measured the rate at which photons are swapped relative to the most prominent interaction between non-interacting periods. They found that the value of this on-off ratio exceeded 105, indicating minimal unwanted interactions caused by the coupling element.

„Cuplerul SNAIL prezentat în această lucrare permite o interacțiune rapidă de separare a fasciculului între qubiții codificați în cavitățile adiacente, suprimând în același timp atât interacțiunile care ar putea degrada coerența qubitului, cât și pe cele care induc cuplări nedorite între qubiți”, explică Stijn de Graaf, un Doctorand la Yale și unul dintre autorii studiului. Ambele efecte, adaugă el, „în cele din urmă au limitat abordările anterioare”.

Schimbarea controlată a fotonilor cu un qubit

Ca primă aplicare a noii lor configurații, cercetătorii au implementat o operațiune de schimbare a celor două cavități care pot fi controlate de un qubit conectat la unul dintre rezonatoare. Dacă acest qubit de control este în starea fundamentală, nu se schimbă fotoni între cele două cavități, dar dacă qubitul de control este excitat, stările din cavități își schimbă locurile.

Această așa-numită operațiune controlată-SWAP este o poartă crucială pentru implementările cuantice ale memoriei cuantice cu acces aleator (QRAM) și mulți algoritmi cuantici. Pregătind qubit-ul de control într-o suprapunere egală între cele două niveluri de energie, echipa a creat, de asemenea, o stare Bell - o stare maximă încurcată în cele două cavități care poate fi făcută dintr-o suprapunere egală a stărilor schimbate și neschimbate în cavități.

Aplicație la qubiți cu șine dublă

Cercetătorii speră că alții își vor folosi descoperirile pentru a proiecta familii de porți detectabile de eroare pe qubiți codificați în nivelurile de energie ale rezonatoarelor cuantice. Aceste așa-zise codurile bosonice arată un potențial mare pentru implementarea corectării erorilor cuantice eficiente din punct de vedere hardware, care este crucială pentru dezvoltarea computerelor cuantice la scară largă.

Pe termen mai apropiat, de Graaf spune că obiectivul principal al echipei este de a folosi instrumentul de care dispune pentru a implementa unul dintre elementele cheie ale noului propus. qubit supraconductor cu două șine. Acest tip de qubit folosește un singur foton stocat într-una dintre cele două cavități de microunde ca stări logice și permite detectarea și semnalarea erorilor specifice. O eroare poate fi tratată ulterior în calculul cuantic. Dacă erorile pot fi detectate cu o eficiență foarte ridicată, calculul cuantic scalabil ar putea fi posibil fără a fi nevoie de o corecție activă a erorilor. Interacțiunea rapidă a fasciculului-splitter prezentată în această lucrare este, prin urmare, o piatră de bază esențială pentru detectarea pierderii de fotoni unici în qubit-ul cu două șine, care este în prezent cea mai proeminentă sursă de erori pe această platformă hardware.

A ajunge acolo va necesita, totuși, unele îmbunătățiri tehnice. „Nu există nicio îndoială că vom dori să continuăm să creștem fidelitatea tuturor operațiunilor acestei scheme”, spune de Graaf. „Acest lucru va permite rate de eroare cât mai mult sub pragurile de corectare a erorilor cuantice posibil și, prin urmare, ne va permite să reducem dramatic numărul de qubiți necesari pentru un computer cuantic tolerant la erori.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii