Mačji kubiti dosegajo novo raven stabilnosti – Physics World

Mačji kubiti dosegajo novo raven stabilnosti – Physics World

Časovni žig: 5. marec 2024 10


Fotografija pravokotnega čipa, ki ga roka osebe v modri rokavici drži v pinceti
Mačka na čipu: fotografija čipa, ki sta ga razvila Alice in Bob in je podoben čipu, uporabljenemu v poskusih. (Z dovoljenjem: Alice in Bob/Nil Hoppenot)

Kvantni računalniki bi lahko presegli konvencionalno računalništvo pri bistvenih nalogah, vendar so nagnjeni k napakam, ki na koncu vodijo do izgube kvantnih informacij, kar omejuje današnje kvantne naprave. Zato morajo znanstveniki za doseganje obsežnih kvantnih informacijskih procesorjev razviti in izvajati strategije za popravljanje kvantnih napak.

Raziskovalci pariškega podjetja za kvantno računalništvo Alice & Bob, skupaj s kolegi iz francoskega ENS–PSL in ENS de Lyon, je zdaj naredil pomembne korake k rešitvi s povečanjem stabilnosti in nadzora t.i. mačji kubiti. Ti kvantni bitovi, imenovani po znamenitem miselnem eksperimentu Erwina Schrödingerja, uporabljajo koherentna stanja kvantnega resonatorja kot svoja logična stanja. Cat kubiti so obetavni za kvantno popravljanje napak, ker so zgrajeni iz koherentnih stanj, zaradi česar so resno robustni proti določenim vrstam napak iz okolja.

Nov merilni protokol

Kvantni biti trpijo zaradi dveh vrst napak: faznih preobratov in bitnih preobratov. V kvantnem računalništvu je bitni preobrat napaka, ki spremeni stanje kubita iz |0⟩ v |1⟩ ali obratno, podobno kot preobrat klasičnega bita iz 0 na 1. Fazni preobrat je po drugi strani napaka, ki spremeni relativno fazo med komponentama |0⟩ in |1⟩ superpozicijskega stanja kubita. Cat kubite je mogoče stabilizirati pred napakami bit-flip s povezovanjem kubita z okoljem, ki prednostno izmenjuje pare fotonov s sistemom. To avtonomno izniči učinke nekaterih napak, ki ustvarjajo bitne preobrate, in zagotavlja, da kvantno stanje ostane znotraj želenega podprostora s popravljenimi napakami. Vendar pa izziv kvantnega popravljanja napak ni samo stabilizacija kubitov. Gre tudi za nadzor nad njimi, ne da bi porušili mehanizme, ki jih ohranjajo stabilne.

Fotografija zasnove vezja
Mačja sklopka: Fotografija zasnove vezja, opisane v prvem prispevku. Superprevodni resonator, ki gosti način cat qubit (moder), se poveže z izgubnim pomožnim/vmesnim načinom (rdeč). Pari fotonov iz pomnilnika se pretvorijo v medpomnilniške fotone s črpanjem nelinearnega elementa (belo) skozi dve črti (rumeno). (Z dovoljenjem: Réglade, Bocquet et al., Kvantni nadzor mačjega kubita s časi obračanja bitov, ki presegajo deset sekund, https://arxiv.org/abs/2307.06617)

In prvi dveh študij, objavljenih na arXiv strežnik za prednatis, ki še ni strokovno pregledan, so raziskovalci pri Alice & Bob, ENS-PSL in ENS de Lyon našli način za povečanje časa obračanja bitov na več kot 10 sekund – štiri velikostne rede dlje od prejšnjih implementacij cat-qubit – medtem ko še vedno popolnoma nadzoruje mačji qubit. To so dosegli z uvedbo protokola odčitavanja, ki ne ogroža zaščite pred obračanjem bitov v njihovem mačjem kubitu, ki je sestavljen iz kvantne superpozicije dveh klasičnih kvantnih stanj, ujetih v superprevodnem kvantnem resonatorju na čipu. Bistveno je, da se nova merilna shema, ki so jo razvili za odčitavanje in nadzorovanje teh stanj kubitov, ne opira na dodatne fizične nadzorne elemente, ki so prej omejevali dosegljive čase obračanja bitov.

Prejšnji načrti poskusov so uporabljali superprevodni transmon – dvonivojski kvantni element – ​​za nadzor in branje stanja mačjega kubita. Tukaj so raziskovalci zasnovali novo shemo odčitavanja in nadzora, ki uporablja isti pomožni resonator, ki zagotavlja dvofotonski stabilizacijski mehanizem za mačji kubit. Kot del te sheme so implementirali tako imenovana holonomska vrata, ki pretvorijo pariteto kvantnega stanja v število fotonov v resonatorju. Pariteta števila fotonov je značilna lastnost mačjega kubita: enaka superpozicija dveh koherentnih stanj vsebuje samo superpozicije sodih števil fotonov, medtem ko ista superpozicija, vendar z znakom minus, vsebuje le superpozicije lihih števil fotonov. Pariteta torej zagotavlja informacijo o tem, v kakšnem stanju je kvantni sistem.

Preoblikovanje stabilizacije mačjih kubitov

Ekipa Alice & Bob je pripravila in posnela stanja kvantne superpozicije, hkrati pa nadzorovala fazo teh superpozicij in vzdrževala čas obračanja bitov nad 10 sekund in čas obrata faze, daljši od 490 ns. Popolna realizacija obsežnega kvantnega računalnika s popravljenimi napakami, ki temelji na mačjih kubitih, pa bo zahtevala ne le dober nadzor in hitro odčitavanje, ampak tudi sredstvo za zagotavljanje, da mačji kubit ostane stabilen dovolj dolgo, da lahko izvaja izračune. Raziskovalci iz Alice & Bob in ENS de Lyon so to pomembno in zahtevno nalogo obravnavali v druga študija.

Za realizacijo stabiliziranega mačjega kubita lahko sistem poganja dvofotonski proces, ki vbrizga pare fotonov, hkrati pa razprši samo dva fotona. To se običajno izvede tako, da se mačji kubit poveže s pomožnim resonatorjem in črpa element, imenovan SQUID z asimetričnim navojem (ATS), z natančno uglašenimi mikrovalovnimi impulzi.. Vendar ima ta pristop precejšnje pomanjkljivosti, kot so kopičenje toplote, aktiviranje neželenih procesov in potreba po obsežni mikrovalovni elektroniki.

Diagram načrtovanja vezja
Podaljšanje časov obračanja bitov: načrtovanje vezja iz drugega papirja. Namesto tradicionalnega štirivalovnega mešalnega elementa (a), ki se črpa za pretvorbo parov fotonov mačjega kubitnega resonatorja (zeleno) v medpomnilniške fotone (modro), tukaj ekipa Alice in Bob/ENS de Lyon uresničuje sklopitev s tremi element za mešanje valov (b). Sheme vezja, vključno s trivalovnim mešalnim elementom, so prikazane v (c), fotografija čipa pa v (d). (Z dovoljenjem: Marquet et al., Avtoparametrična resonanca, ki podaljša čas obračanja bitov mačjega kubita do 0.3 s, https://arxiv.org/abs/2307.06761)

Da bi ublažili te težave, so raziskovalci preoblikovali mehanizem disipacije dveh fotonov, tako da ne potrebuje takšne dodatne črpalke. Namesto ATS so uvedli mačji kubit v načinu superprevodnega oscilatorja, ki je povezan s pomožnim načinom z izgubo prek nelinearnega elementa, sestavljenega iz več Josephsonovih stičišč. Josephsonov element služi kot "mešalnik", ki omogoča natančno ujemanje energije dveh fotonov mačjega kubita z energijo enega fotona v pomožnem resonatorju. Posledično se v tem tako imenovanem avtoparametričnem procesu pari fotonov v mačjem kubitnem resonatorju pretvorijo v en sam foton puferskega načina brez potrebe po dodatni mikrovalovni črpalki.

Fotografija Alicinega in Bobovega čipa, ki ga oseba drži s pinceto v orokavičeni roki na črnem ozadju
Robusten proti napakam bit-flip: Še en pogled na čip Alice in Bob. (Z dovoljenjem: Alice & Bob/Nil Hoppenot)

Z oblikovanjem superprevodnega vezja s simetrično strukturo je ekipi uspelo združiti visokokakovosten resonator z nizkokakovostnim skozi isti Josephsonov element. S tem so povečali stopnjo disipacije dveh fotonov za faktor 10 v primerjavi s prejšnjimi rezultati, pri čemer se je čas obračanja bitov približal eni sekundi – v tem primeru omejen s transmonom. Za hitro manipulacijo kubitov in kratke cikle odpravljanja napak je potrebna visoka stopnja disipacije dveh fotonov. Te so ključne za popravljanje preostalih napak faznega preobrata v kodi ponavljanja mačjih kubitov.

Prihodnje aplikacije z mačjimi kubiti

Gerhard Kirchmair, fizik na Inštitutu za kvantno optiko in kvantne informacije v Innsbrucku v Avstriji, ki ni bil vključen v nobeno študijo, pravi, da obe deli opisujeta pomembne korake k realizaciji popolnoma popravljenega kubita. "To so naslednji koraki k popolnemu odpravljanju napak," pravi Kirchmair. "Jasno dokazujejo, da je mogoče doseči eksponentno zaščito pred obračanjem bitov v teh sistemih, kar dokazuje, da je ta pristop izvedljiv za uresničitev popolne kvantne korekcije napak."

Raziskovalci priznavajo, da ostajajo pomembne ovire. Ker je bila natančnost odčitavanja s protokolom holonomskih vrat precej omejena, želijo najti načine za izboljšanje. Še en pomemben korak bo prikaz vrat, ki vključujejo več mačjih kubitov, in preverjanje, ali inherentna zaščita pred obračanjem bitov ostaja. Poleg tega z novo nastavitvijo avtoparametrične naprave za izmenjavo parov fotonov soustanovitelj Alice & Bob Raphaël Lescanne predvideva, da bo lahko stabiliziral mačji kubit z uporabo štirih različnih koherentnih stanj namesto samo dveh. »Naš cilj je uporabiti moč nelinearne sklopitve brez primere za stabilizacijo štirikomponentnega cat-qubita, ki bi ponudil situ zaščita pred napakami faznega obračanja skupaj z zaščito pred napakami bitnega obračanja,« pravi Lescanne.

Kirchmair verjame, da ti rezultati utirajo pot bolj dovršenim shemam odpravljanja napak, ki temeljijo na teh kubitih, ki so močno pristranski glede hrupa, kjer je stopnja obračanja bitov veliko nižja od stopnje obračanja preostale faze. "Naslednji koraki bodo skaliranje tega sistema, da se popravijo tudi fazni preobrati, s čimer se uresniči kubit s popolnoma popravljenimi napakami," pravi Kirchmair. Svet fizike. "Lahko bi si celo predstavljali združitev obeh pristopov v enem sistemu, da bi kar najbolje izkoristili oba rezultata in še izboljšali čas obračanja bitov."

Časovni žig:

Več od Svet fizike