Cat qubits når en ny nivå av stabilitet – Physics World

Kvantdatorer kan överträffa konventionell datoranvändning i väsentliga uppgifter, men de är benägna att göra fel som i slutändan leder till förlust av kvantinformation, vilket begränsar dagens kvantenheter. Därför, för att uppnå storskaliga kvantinformationsprocessorer, måste forskare utveckla och implementera strategier för att korrigera kvantfel.

Forskare vid det Paris-baserade kvantberäkningsföretaget Alice & Bob, har nu tillsammans med kollegor vid franska ENS–PSL och ENS de Lyon tagit betydande framsteg mot en lösning genom att förbättra stabiliteten och kontrollen av s.k. katt qubits. Dessa kvantbitar är uppkallade efter Erwin Schrödingers berömda tankeexperiment och använder koherenta tillstånd av en kvantresonator som sina logiska tillstånd. Cat qubits är lovande för kvantfelskorrigering eftersom de är konstruerade från koherenta tillstånd, vilket gör dem i sig robusta mot vissa typer av fel från omgivningen.

Ett nytt mätprotokoll

Kvantbitar lider av två typer av fel: phase flips och bit flips. I kvantberäkning är en bitflip ett fel som ändrar tillståndet för en qubit från |0⟩ till |1⟩ eller vice versa, analogt med att vända en klassisk bit från 0 till 1. En fasvändning är å andra sidan ett fel som ändrar den relativa fasen mellan |0⟩ och |1⟩ komponenterna i en qubits superpositionstillstånd. Cat qubits kan stabiliseras mot bit-flip-fel genom att koppla qubiten till en miljö som preferentiellt utbyter par av fotoner med systemet. Detta motverkar autonomt effekterna av vissa fel som genererar bit-flips och säkerställer att kvanttillståndet förblir inom det önskade felkorrigerade delutrymmet. Utmaningen med kvantfelskorrigering handlar dock inte bara om att stabilisera kvantbitar. Det handlar också om att kontrollera dem utan att bryta mekanismerna som håller dem stabila.

In den första av ett par studier publicerade på arXiv förtrycksserver, och ännu inte granskad av fackmän, forskare vid Alice & Bob, ENS-PSL och ENS de Lyon hittade ett sätt att öka bit-flip-tiden till mer än 10 sekunder – fyra storleksordningar längre än tidigare cat-qubit-implementationer – medan du fortfarande kontrollerar kattens qubit helt. De uppnådde detta genom att introducera ett avläsningsprotokoll som inte äventyrar bitflip-skyddet i deras cat qubit, som består av en kvantöverlagring av två klassiska kvanttillstånd fångade i en supraledande kvantresonator på ett chip. Avgörande är att det nya mätschemat de utarbetade för att läsa ut och kontrollera dessa qubit-tillstånd inte förlitar sig på ytterligare fysiska kontrollelement, som tidigare begränsade de möjliga bit-flip-tiderna.

Tidigare experimentdesigner använde en supraledande transmon – ett kvantelement i två nivåer – för att kontrollera och avläsa tillståndet för kattkvanten. Här har forskarna tagit fram ett nytt avläsnings- och kontrollschema som använder samma hjälpresonator som tillhandahåller tvåfotonstabiliseringsmekanismen för kattens qubit. Som en del av detta schema implementerade de en så kallad holonomisk grind som omvandlar pariteten för kvanttillståndet till antalet fotoner i resonatorn. Fotontalspariteten är en karakteristisk egenskap hos cat-qubiten: en lika stor överlagring av de två koherenta tillstånden innehåller endast överlagringar av jämna fotontal, medan samma överlagring men med ett minustecken endast innehåller överlagringar av udda fotontal. Pariteten ger därför information om vilket tillstånd kvantsystemet är i.

Omdesign av stabiliseringen av cat qubits

Alice & Bob-teamet förberedde och avbildade kvantöverlagringstillstånd samtidigt som de kontrollerade fasen för dessa superpositioner och bibehöll en bit-flip-tid på över 10 sekunder och en fas-flip-tid längre än 490 ns. Att fullt ut realisera en storskalig felkorrigerad kvantdator baserad på cat qubits kommer dock att kräva inte bara bra kontroll och snabb avläsning, utan också ett sätt att säkerställa att cat qubiten förblir stabil tillräckligt länge för att utföra beräkningar. Forskare från Alice & Bob och ENS de Lyon tog upp denna viktiga och utmanande uppgift i andra studien.

För att realisera en stabiliserad cat qubit kan systemet drivas av en två-fotonprocess som injicerar par av fotoner samtidigt som bara två fotoner försvinner samtidigt. Detta görs vanligtvis genom att koppla cat qubit till en hjälpresonator och pumpa ett element som kallas en asymmetriskt-gängad-SQUID (ATS) med exakt avstämda mikrovågspulser. Detta tillvägagångssätt innebär emellertid betydande nackdelar, såsom värmeuppbyggnad, aktivering av oönskade processer och nödvändigheten av skrymmande mikrovågselektronik.

För att mildra dessa problem designade forskarna om mekanismen för avledning av två foton så att den inte kräver en sådan extra pump. Istället för en ATS implementerade de cat-qubiten i ett supraledande oscillatorläge kopplat till ett förlustlöst hjälpläge via ett olinjärt element bestående av flera Josephson-övergångar. Josephson-elementet fungerar som en "blandare" som gör det möjligt att exakt matcha energin för två cat qubit-fotoner till den för en foton i hjälpresonatorn. Som ett resultat, i denna så kallade autoparametriska process, omvandlas fotonpar i cat qubit-resonatorn till en enda foton i buffertläget utan behov av någon ytterligare mikrovågspump.

Genom att designa en supraledande krets med en symmetrisk struktur kunde teamet koppla en högkvalitativ resonator med en lågkvalitativ genom samma Josephson-element. De ökade därigenom tvåfotonförlusthastigheten med en faktor 10 jämfört med tidigare resultat, med en bitfliptid som närmade sig en sekund – i detta fall begränsad av transmonen. En hög tvåfotonförlusthastighet behövs för snabb qubit-manipulation och korta felkorrigeringscykler. Dessa är avgörande för att korrigera de återstående fas-flip-felen i en upprepningskod av cat-qubits.

Framtida applikationer med cat qubits

Gerhard Kirchmair, en fysiker vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation i Innsbruck, Österrike, som inte var involverad i någon av studien, säger att båda verken beskriver viktiga steg mot att realisera en helt felkorrigerad qubit. "Detta är nästa steg mot fullfjädrad felkorrigering", säger Kirchmair. "De visar tydligt att det är möjligt att uppnå exponentiellt skydd mot bitflip i dessa system, vilket visar att detta tillvägagångssätt är genomförbart för att realisera full kvantfelskorrigering."

Forskarna erkänner att betydande hinder kvarstår. Eftersom noggrannheten för avläsning med det holonomiska grindprotokollet var ganska begränsad, vill de hitta sätt att förbättra det. Att demonstrera grindar som involverar flera cat qubits och kontrollera om det inneboende bit-flip-skyddet finns kvar kommer att vara ett annat viktigt steg. Dessutom, med den nya autoparametriska enhetsinställningen för att utbyta par av fotoner, förväntar sig Alice & Bobs grundare Raphaël Lescanne att kunna stabilisera en katt-qubit med fyra olika koherenta tillstånd istället för bara två. "Vårt mål är att använda den oöverträffade icke-linjära kopplingsstyrkan för att stabilisera en fyrkomponents cat-qubit, vilket skulle erbjuda in situ fas-flip-felskydd tillsammans med bit-flip-felskydd, säger Lescanne.

Varför Alice & Bob gör cat qubits, kräver IOP åtgärder mot målet för nettonoll

Kirchmair tror att dessa resultat banar väg för mer utarbetade felkorrigeringsscheman som förlitar sig på dessa kraftigt brusförspända qubits, där bitfliphastigheten är mycket lägre än den återstående fassvängningshastigheten. "Nästa steg kommer att skala detta system för att även korrigera för fassvängningar och därmed realisera en helt felkorrigerad qubit," säger Kirchmair Fysikvärlden. "Man skulle till och med kunna tänka sig att kombinera båda tillvägagångssätten i ett system för att göra det bästa av båda resultaten och förbättra bitsvängningstiderna ytterligare."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/