Быстрая замена фотонов создает высококачественные квантовые ворота

Квантовые компьютеры могли бы совершить революцию в науке, но квантовые биты (кубиты), на которых они работают, хрупкие. Таким образом, возможность быстро манипулировать этими кубитами, прежде чем взаимодействие с их окружением приведет к распаду содержащейся в них квантовой информации, имеет решающее значение для квантовых вычислений.

Многообещающий способ сохранить квантовый бит — закодировать его на дискретных энергетических уровнях света внутри квантового резонатора, такого как сверхпроводящая полость. Однако манипулирование несколькими такими полостями может оказаться затруднительным из-за ложных взаимодействий или дополнительных каналов ошибок, которые влияют на хранимую квантовую информацию. Исследователи из Йельский квантовый институт в США нашли частичное решение этой проблемы, разработав систему, которая быстро передает фотоны из одной полости в другую, не повреждая квантовые состояния фотонов. Этот результат является важным шагом на пути к быстрым и качественным квантовым вентилям для квантовых компьютеров на основе резонаторов.

Разработка взаимодействия светоделителя с использованием SNAIL

В исследовании, опубликованном в PRX Квант, исследователи в лаборатория Роберта Шелькопфа в Йельском университете использовали элемент связи, называемый SNAIL (сверхпроводящий нелинейный асимметричный индуктивный элемент), чтобы обеспечить обменное взаимодействие между двумя сверхпроводящими микроволновыми резонаторами. Настроив УЛИТКУ с помощью внешнего магнитного поля, они подавили ложные взаимодействия между двумя полостями, оставив только так называемое «Разделитель луча" взаимодействие. Подобно линейной оптике, в которой световой луч можно разделить на две части с помощью (например) полупрозрачного зеркала, это взаимодействие позволяет двум полостям обмениваться возбуждениями в соотношении 50:50 в течение определенного времени взаимодействия.

Чтобы продемонстрировать это, исследователи инициализировали один резонатор одним фотоном, оставив другой резонатор в вакууме. Когда они настроили преобразователь SNAIL на оптимальный рабочий режим, они наблюдали, как два резонатора меняли фотон между собой 500 раз, прежде чем система декогерировалась (то есть теряла свою квантовую природу из-за остаточных взаимодействий с окружающей средой), со временем всего 250 наносекунд на обмен.

Одна из целей исследователей заключалась в том, чтобы резонаторы быстро меняли фотоны при включенной связи, гарантируя при этом, что полости не взаимодействуют, когда взаимодействие выключено, тем самым избегая вредного воздействия на хранимую квантовую информацию. С этой целью исследователи измерили скорость, с которой фотоны обмениваются местами относительно наиболее заметного взаимодействия между невзаимодействующими периодами. Они обнаружили, что значение этого коэффициента включения-выключения превышало 10.⁵, что указывает на минимальное нежелательное взаимодействие, вызванное соединительным элементом.

«Соединитель SNAIL, представленный в этой работе, обеспечивает быстрое светоделительное взаимодействие между кубитами, закодированными в соседних полостях, подавляя при этом как взаимодействия, которые могут ухудшить когерентность кубитов, так и те, которые вызывают нежелательные связи между кубитами», — объясняет Стейн де Грааф, Аспирант Йельского университета и один из авторов исследования. Оба эффекта, добавляет он, «в конечном итоге ограничивают предыдущие подходы».

Управляемый обмен фотонами с кубитом

В качестве первого применения своей новой установки исследователи реализовали операцию замены двух полостей, которой можно управлять с помощью кубита, подключенного к одному из резонаторов. Если этот управляющий кубит находится в основном состоянии, фотоны между двумя полостями не переключаются, но если управляющий кубит возбужден, состояния в полостях меняются местами.

Эта так называемая операция контролируемой замены является решающим фактором для квантовых реализаций квантовой памяти с произвольным доступом (QRAM) и многих квантовых алгоритмов. Подготовив контрольный кубит в равной суперпозиции между двумя его энергетическими уровнями, команда также создала состояние Белла — максимально запутанное состояние в двух полостях, которое может быть создано из равной суперпозиции перепутанных и неперемещенных состояний в полостях.

Приложение к двухрельсовым кубитам

Исследователи надеются, что другие будут использовать их результаты для разработки семейств обнаруживаемых ошибок вентилей на кубитах, закодированных на энергетических уровнях квантовых резонаторов. Эти так называемые бозонные коды демонстрируют большой потенциал для реализации аппаратно-эффективной квантовой коррекции ошибок, что имеет решающее значение для разработки крупномасштабных квантовых компьютеров.

Кремниевые резонаторы проходят тест Белла на квантовую запутанность

По словам де Граафа, в ближайшем будущем основное внимание команды будет сосредоточено на использовании имеющегося у них инструмента для реализации одного из ключевых строительных блоков недавно предложенного проекта. сверхпроводящий двухрельсовый кубит. Этот тип кубита использует одиночный фотон, хранящийся в одном из двух микроволновых резонаторов, в качестве своего логического состояния и позволяет обнаруживать и помечать определенные ошибки. Ошибка может быть обработана позже в ходе квантовых вычислений. Если ошибки можно обнаружить с очень высокой эффективностью, масштабируемые квантовые вычисления станут возможными без необходимости активного исправления ошибок. Таким образом, быстрое взаимодействие светоделителя, представленное в этой работе, является важным строительным блоком для обнаружения потери одиночных фотонов в двухрельсовом кубите, который в настоящее время является наиболее заметным источником ошибок на этой аппаратной платформе.

Однако для достижения этой цели потребуются некоторые технические усовершенствования. «Нет сомнений в том, что мы захотим и дальше повышать точность всех операций этой схемы», — говорит де Грааф. «Это позволит нам значительно сократить количество кубитов, необходимых для отказоустойчивого квантового компьютера».

• 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. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• ЧартПрайм. Улучшите свою торговую игру с ChartPrime. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/rapidly-swapping-photons-make-a-high-quality-quantum-gate/