Кошачьи кубиты выходят на новый уровень стабильности

Квантовые компьютеры могли бы превзойти традиционные вычисления в решении важнейших задач, но они склонны к ошибкам, которые в конечном итоге приводят к потере квантовой информации, что ограничивает возможности современных квантовых устройств. Поэтому для создания крупномасштабных квантовых процессоров информации ученым необходимо разработать и реализовать стратегии исправления квантовых ошибок.

Исследователи парижской фирмы по квантовым вычислениям Алиса и БобВместе с коллегами из ENS-PSL Франции и ENS de Lyon теперь добились значительных успехов в решении проблемы путем повышения стабильности и контроля над так называемыми кошачьи кубиты. Эти квантовые биты, названные в честь знаменитого мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера, используют в качестве логических состояний когерентные состояния квантового резонатора. Кошачьи кубиты перспективны для квантовой коррекции ошибок, поскольку они построены из когерентных состояний, что делает их устойчивыми к определенным типам ошибок окружающей среды.

Новый протокол измерений

Квантовые биты страдают от двух типов ошибок: переворота фазы и переворота бита. В квантовых вычислениях переворот бита — это ошибка, которая изменяет состояние кубита с |0⟩ на |1⟩ или наоборот, аналогично перевороту классического бита с 0 на 1. С другой стороны, переворот фазы — это ошибка, которая изменяет относительную фазу между компонентами |0⟩ и |1⟩ состояния суперпозиции кубита. Кубиты Cat можно стабилизировать против ошибок переворота битов, соединив кубит со средой, которая преимущественно обменивается парами фотонов с системой. Это автономно противодействует эффектам некоторых ошибок, которые генерируют перевороты битов, и гарантирует, что квантовое состояние остается в пределах желаемого подпространства с исправлением ошибок. Однако задача квантовой коррекции ошибок заключается не только в стабилизации кубитов. Речь также идет о контроле над ними, не нарушая механизмы, поддерживающие их стабильность.

In первый пары исследований, опубликованных на ArXiv сервер препринтов, еще не прошедший рецензирование, исследователи из Alice & Bob, ENS-PSL и ENS de Lyon нашли способ увеличить время переворота битов до более чем 10 секунд — на четыре порядка больше, чем в предыдущих реализациях кошачьего кубита. – при этом полностью контролируя кошачий кубит. Они добились этого, внедрив протокол считывания, который не ставит под угрозу защиту от переворота битов в их кошачьем кубите, который состоит из квантовой суперпозиции двух классических квантовых состояний, запертых в сверхпроводящем квантовом резонаторе на чипе. Важно отметить, что новая схема измерения, которую они разработали для считывания и управления состояниями кубитов, не опирается на дополнительные физические элементы управления, которые ранее ограничивали достижимое время переворота битов.

В предыдущих экспериментах использовался сверхпроводящий трансмон — двухуровневый квантовый элемент — для контроля и считывания состояния кошачьего кубита. Здесь исследователи разработали новую схему считывания и управления, в которой используется тот же вспомогательный резонатор, который обеспечивает механизм двухфотонной стабилизации кошачьего кубита. В рамках этой схемы они реализовали так называемый голономный вентиль, преобразующий четность квантового состояния в число фотонов в резонаторе. Четность числа фотонов является характерным свойством кошачьего кубита: равная суперпозиция двух когерентных состояний содержит только суперпозиции четных чисел фотонов, тогда как такая же суперпозиция, но со знаком минус, содержит только суперпозиции нечетных чисел фотонов. Таким образом, четность предоставляет информацию о том, в каком состоянии находится квантовая система.

Перепроектирование стабилизации кошачьих кубитов

Команда Алисы и Боба подготовила и отобразила состояния квантовой суперпозиции, одновременно контролируя фазу этих суперпозиций и поддерживая время переворота битов более 10 секунд и время переворота фазы более 490 нс. Однако полная реализация крупномасштабного квантового компьютера с коррекцией ошибок на основе кошачьих кубитов потребует не только хорошего управления и быстрого считывания, но и средств, обеспечивающих стабильность кошачьего кубита в течение достаточно долгого времени для выполнения вычислений. Исследователи из Alice & Bob и ENS de Lyon решили эту важную и сложную задачу в второе исследование.

Чтобы реализовать стабилизированный кошачий кубит, систему можно запустить с помощью двухфотонного процесса, который вводит пары фотонов, рассеивая при этом только два фотона одновременно. Обычно это делается путем подключения кошачьего кубита к вспомогательному резонатору и накачки элемента, называемого СКВИД с асимметричной резьбой (ATS), точно настроенными микроволновыми импульсами.. Однако этот подход имеет существенные недостатки, такие как накопление тепла, активация нежелательных процессов и необходимость громоздкой СВЧ-электроники.

Чтобы смягчить эти проблемы, исследователи перепроектировали механизм двухфотонной диссипации, чтобы он не требовал такого дополнительного насоса. Вместо ATS они реализовали кошачий кубит в режиме сверхпроводящего генератора, соединенного со вспомогательным режимом с потерями через нелинейный элемент, состоящий из нескольких джозефсоновских переходов. Элемент Джозефсона служит «смесителем», позволяющим точно согласовать энергию двух фотонов кошачьего кубита с энергией одного фотона во вспомогательном резонаторе. В результате в этом так называемом автопараметрическом процессе пары фотонов в резонаторе кошачьего кубита преобразуются в одиночный фотон буферной моды без необходимости какой-либо дополнительной микроволновой накачки.

Разработав сверхпроводниковую схему с симметричной структурой, команда смогла соединить высококачественный резонатор с низкокачественным через один и тот же элемент Джозефсона. Таким образом, они увеличили скорость двухфотонной диссипации в 10 раз по сравнению с предыдущими результатами, при этом время переворота битов приближается к одной секунде – в данном случае оно ограничено трансмоном. Высокая скорость двухфотонной диссипации необходима для быстрого манипулирования кубитами и коротких циклов исправления ошибок. Это имеет решающее значение для исправления оставшихся ошибок переворота фазы в коде повторения кошачьих кубитов.

Будущие приложения с кошачьими кубитами

Герхард Кирхмайерфизик из Института квантовой оптики и квантовой информации в Инсбруке, Австрия, который не участвовал ни в одном из исследований, говорит, что обе работы описывают важные шаги на пути к реализации кубита с полной коррекцией ошибок. «Это следующие шаги на пути к полноценному исправлению ошибок», — говорит Кирхмайр. «Они ясно демонстрируют, что в этих системах можно добиться экспоненциальной защиты от переворота битов, что демонстрирует, что этот подход жизнеспособен для реализации полной квантовой коррекции ошибок».

Исследователи признают, что остаются серьезные препятствия. Поскольку точность считывания с использованием протокола голономных ворот была довольно ограниченной, они хотят найти способы ее улучшить. Демонстрация вентилей, включающих несколько кошачьих кубитов, и проверка того, сохраняется ли встроенная защита от переворота битов, станет еще одним важным шагом. Кроме того, соучредитель «Алисы и Боба» Рафаэль Лесканн ожидает, что с помощью нового автопараметрического устройства для обмена парами фотонов можно будет стабилизировать кубит-кошку, используя четыре различных когерентных состояния вместо двух. «Наша цель — использовать беспрецедентную силу нелинейной связи для стабилизации четырехкомпонентного кошачьего кубита, который мог бы предложить на месте защита от ошибок переворота фазы и защита от ошибок переворота битов», — говорит Лесканн.

Почему Алиса и Боб создают кошачьи кубиты, IOP призывает к действию по достижению нулевой цели

Кирхмайр считает, что эти результаты открывают путь к более сложным схемам исправления ошибок, основанным на этих сильно смещенных шумом кубитах, где скорость переворота битов намного ниже, чем оставшаяся скорость переворота фазы. «Следующими шагами будет масштабирование этой системы для корректировки переворота фазы, что позволит реализовать кубит с полной коррекцией ошибок», — говорит Кирхмайр. Мир физики. «Можно даже представить себе объединение обоих подходов в одной системе, чтобы получить наилучшие результаты от обоих и еще больше улучшить время переворота битов».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/