Cat qubits ก้าวสู่ระดับใหม่ของความเสถียร – Physics World

Cat qubits ก้าวสู่ระดับใหม่ของความเสถียร – Physics World

ประทับเวลา: 5 มีนาคม 2024 10:02 น


ภาพถ่ายชิปสี่เหลี่ยมที่ถืออยู่ในแหนบโดยมือที่สวมถุงมือสีน้ำเงิน
Cat on a Chip: รูปถ่ายของชิปที่พัฒนาขึ้นที่ Alice และ Bob ซึ่งคล้ายกับชิปที่ใช้ในการทดลอง (เอื้อเฟื้อโดย: อลิซและบ็อบ/นิล ฮอปพีโนต์)

คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจแซงหน้าการประมวลผลแบบเดิมๆ ในงานที่จำเป็น แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดซึ่งท้ายที่สุดแล้วนำไปสู่การสูญเสียข้อมูลควอนตัม ซึ่งเป็นการจำกัดอุปกรณ์ควอนตัมในปัจจุบัน ดังนั้น เพื่อให้บรรลุถึงเครื่องประมวลผลข้อมูลควอนตัมขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องพัฒนาและใช้กลยุทธ์ในการแก้ไขข้อผิดพลาดทางควอนตัม

นักวิจัยจากบริษัทคอมพิวเตอร์ควอนตัมในปารีส อลิซ&บ๊อบร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่ ENS–PSL และ ENS de Lyon ของฝรั่งเศส ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มเสถียรภาพและการควบคุมสิ่งที่เรียกว่า ควิบิตของแมว. ควอนตัมบิตเหล่านี้ตั้งชื่อตามการทดลองทางความคิดอันโด่งดังของ Erwin Schrödinger ใช้สถานะที่สอดคล้องกันของตัวสะท้อนควอนตัมเป็นสถานะเชิงตรรกะ Cat qubits มีแนวโน้มว่าจะแก้ไขข้อผิดพลาดทางควอนตัมได้ เนื่องจากสร้างขึ้นจากสถานะที่สอดคล้องกัน ซึ่งทำให้ทนทานต่อข้อผิดพลาดบางประเภทจากสภาพแวดล้อมโดยธรรมชาติ

โปรโตคอลการวัดใหม่

ควอนตัมบิตมีข้อผิดพลาดสองประเภท: การพลิกเฟสและการพลิกบิต ในการคำนวณควอนตัม การพลิกบิตเป็นข้อผิดพลาดที่เปลี่ยนสถานะของคิวบิตจาก |0⟩ เป็น |1⟩ หรือในทางกลับกัน คล้ายคลึงกับการพลิกบิตคลาสสิกจาก 0 เป็น 1 ในทางกลับกัน การพลิกเฟสคือ ข้อผิดพลาดที่เปลี่ยนแปลงเฟสสัมพัทธ์ระหว่างส่วนประกอบ |0⟩ และ |1⟩ ของสถานะการซ้อนทับของ qubit Cat qubit สามารถทำให้เสถียรจากข้อผิดพลาด bit-flip ได้โดยการเชื่อมต่อ qubit กับสภาพแวดล้อมที่แลกเปลี่ยนคู่โฟตอนกับระบบเป็นพิเศษ วิธีนี้จะตอบโต้ผลกระทบของข้อผิดพลาดบางอย่างที่ทำให้เกิดการพลิกบิตโดยอัตโนมัติ และช่วยให้มั่นใจว่าสถานะควอนตัมยังคงอยู่ในพื้นที่ย่อยที่แก้ไขข้อผิดพลาดที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม ความท้าทายในการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงการรักษาเสถียรภาพของคิวบิตเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวกับการควบคุมพวกมันโดยไม่ทำลายกลไกที่ทำให้พวกมันมั่นคง

ภาพการออกแบบวงจร
การมีเพศสัมพันธ์แบบแมว: รูปถ่ายของการออกแบบวงจรที่อธิบายไว้ในเอกสารฉบับแรก เครื่องสะท้อนตัวนำยิ่งยวดที่โฮสต์โหมด cat qubit (สีน้ำเงิน) คู่กับโหมดเสริม/บัฟเฟอร์ที่สูญเสีย (สีแดง) โฟตอนคู่จากหน่วยความจำจะถูกแปลงเป็นโฟตอนบัฟเฟอร์โดยการอัดองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้น (สีขาว) ผ่านเส้นสองเส้น (สีเหลือง) (เอื้อเฟื้อโดย: Réglade, Bocquet et al., การควบคุมควอนตัมของ cat-qubit ที่มีเวลา bit-flip เกินสิบวินาที, https://arxiv.org/abs/2307.06617)

In คนแรก ของการศึกษาคู่หนึ่งที่โพสต์บน arXiv เซิร์ฟเวอร์ก่อนการพิมพ์และยังไม่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ นักวิจัยที่ Alice & Bob, ENS-PSL และ ENS de Lyon พบวิธีในการเพิ่มเวลาการพลิกบิตเป็นมากกว่า 10 วินาที - ขนาดสี่ลำดับนานกว่าการใช้งาน cat-qubit ก่อนหน้านี้ – ในขณะที่ยังคงควบคุมควิบิตแมวได้อย่างเต็มที่ พวกเขาบรรลุเป้าหมายนี้ด้วยการแนะนำโปรโตคอลการอ่านข้อมูลที่ไม่กระทบต่อการป้องกัน bit-flip ใน cat qubit ซึ่งประกอบด้วยการซ้อนทับควอนตัมของสถานะควอนตัมคลาสสิกสองสถานะที่ติดอยู่ในตัวสะท้อนควอนตัมตัวนำยิ่งยวดบนชิป สิ่งสำคัญที่สุดคือ รูปแบบการวัดใหม่ที่พวกเขาคิดค้นขึ้นเพื่ออ่านและควบคุมสถานะควิบิตเหล่านี้ ไม่ต้องอาศัยองค์ประกอบการควบคุมทางกายภาพเพิ่มเติม ซึ่งก่อนหน้านี้จำกัดเวลาในการพลิกบิตที่สามารถทำได้

การออกแบบการทดลองก่อนหน้านี้ใช้ทรานสมอนตัวนำยิ่งยวดซึ่งเป็นองค์ประกอบควอนตัมสองระดับเพื่อควบคุมและอ่านสถานะของควิบิตแมว ที่นี่ นักวิจัยได้คิดค้นรูปแบบการอ่านข้อมูลและการควบคุมใหม่ที่ใช้ตัวสะท้อนเสียงเสริมแบบเดียวกับที่มีกลไกการรักษาเสถียรภาพโฟตอนสองโฟตอนสำหรับ cat qubit ในฐานะส่วนหนึ่งของโครงการนี้ พวกเขาได้ใช้สิ่งที่เรียกว่าประตูโฮโลโนมิกซึ่งแปลงความเท่าเทียมกันของสถานะควอนตัมเป็นจำนวนโฟตอนในตัวสะท้อนกลับ ความเท่าเทียมกันของจำนวนโฟตอนเป็นคุณสมบัติเฉพาะของ cat qubit: การซ้อนทับที่เท่ากันของสถานะที่เชื่อมโยงกันทั้งสองสถานะจะมีเพียงการซ้อนทับของจำนวนโฟตอนคู่ ในขณะที่การซ้อนทับเดียวกัน แต่มีเครื่องหมายลบจะมีเพียงการซ้อนทับของจำนวนโฟตอนคี่เท่านั้น ความเท่าเทียมกันจึงให้ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของระบบควอนตัม

การออกแบบความเสถียรของ cat qubit ใหม่

ทีมงาน Alice & Bob เตรียมและถ่ายภาพสถานะการซ้อนทับของควอนตัม ในขณะเดียวกันก็ควบคุมเฟสของการซ้อนทับเหล่านี้ และรักษาเวลาบิตพลิกไว้ที่มากกว่า 10 วินาที และเวลาพลิกเฟสนานกว่า 490 ns อย่างไรก็ตาม การตระหนักรู้ถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่มีการแก้ไขข้อผิดพลาดขนาดใหญ่โดยอาศัย cat qubits นั้น ไม่เพียงต้องการการควบคุมที่ดีและการอ่านข้อมูลที่รวดเร็วเท่านั้น แต่ยังต้องอาศัยวิธีการทำให้แน่ใจว่า cat qubit ยังคงมีเสถียรภาพนานพอที่จะทำการคำนวณอีกด้วย นักวิจัยจาก Alice & Bob และ ENS de Lyon กล่าวถึงงานที่สำคัญและท้าทายนี้ใน การศึกษาที่สอง.

เพื่อให้ทราบถึงควิบิตแมวที่เสถียร ระบบสามารถขับเคลื่อนด้วยกระบวนการโฟตอนสองตัวที่อัดโฟตอนคู่หนึ่งในขณะที่กระจายโฟตอนเพียงสองโฟตอนในคราวเดียว โดยปกติจะทำได้โดยการเชื่อมต่อ cat qubit เข้ากับตัวสะท้อนเสียงเสริม และปั๊มองค์ประกอบที่เรียกว่า asymmetrically-threaded-SQUID (ATS) พร้อมด้วยพัลส์ไมโครเวฟที่ปรับจูนอย่างแม่นยำ. อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ก่อให้เกิดข้อเสียที่สำคัญ เช่น การสะสมความร้อน การเปิดใช้งานกระบวนการที่ไม่พึงประสงค์ และความจำเป็นของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟขนาดใหญ่

แผนภาพการออกแบบวงจร
การขยายเวลาพลิกบิต: การออกแบบวงจรจากกระดาษแผ่นที่สอง แทนที่จะใช้องค์ประกอบผสมสี่คลื่นแบบดั้งเดิม (a) ที่ถูกปั๊มเพื่อแปลงคู่โฟตอนของเครื่องสะท้อนคลื่นควิบิต cat (สีเขียว) ไปเป็นโฟตอนบัฟเฟอร์ (สีน้ำเงิน) ที่นี่ทีมงาน Alice และ Bob/ENS de Lyon ตระหนักถึงการมีเพศสัมพันธ์กับสาม- องค์ประกอบการผสมคลื่น (b) แผนผังของวงจร รวมถึงองค์ประกอบการผสมคลื่นสามคลื่นแสดงอยู่ใน (c) และรูปถ่ายของชิปใน (d) (ได้รับความอนุเคราะห์จาก Marquet และคณะ การสั่นพ้องแบบพารามิเตอร์อัตโนมัติจะขยายเวลาการพลิกบิตของ cat qubit สูงสุด 0.3 วินาที https://arxiv.org/abs/2307.06761)

เพื่อบรรเทาปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้ออกแบบกลไกการกระจายโฟตอนแบบสองโฟตอนใหม่ เพื่อที่จะไม่ต้องใช้ปั๊มเพิ่มเติมดังกล่าว แทนที่จะใช้ ATS พวกเขาใช้ cat qubit ในโหมดออสซิลเลเตอร์ตัวนำยิ่งยวดควบคู่กับโหมดเสริมที่สูญเสียผ่านองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้นซึ่งประกอบด้วยทางแยกโจเซฟสันหลายจุด องค์ประกอบโจเซฟสันทำหน้าที่เป็น "ตัวผสม" ที่ทำให้สามารถจับคู่พลังงานของโฟตอนควอบิตแมวสองตัวกับพลังงานของโฟตอนหนึ่งตัวในตัวสะท้อนกลับเสริมได้ ผลที่ตามมา ในกระบวนการที่เรียกว่าออโตพารามิเตอร์นี้ คู่โฟตอนที่ในตัวสะท้อนเสียง cat qubit จะถูกแปลงเป็นโฟตอนเดี่ยวของโหมดบัฟเฟอร์โดยไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มไมโครเวฟเพิ่มเติม

รูปถ่ายของชิปของอลิซและบ็อบ ถือแหนบไว้ในมือที่สวมถุงมือบนพื้นหลังสีดำ
ทนทานต่อข้อผิดพลาด bit-flip: อีกมุมมองของชิป Alice และ Bob (เอื้อเฟื้อโดย: Alice & Bob/Nil Hoppenot)

ด้วยการออกแบบวงจรตัวนำยิ่งยวดที่มีโครงสร้างสมมาตร ทีมงานจึงสามารถจับคู่ตัวสะท้อนเสียงคุณภาพสูงกับตัวสะท้อนเสียงคุณภาพต่ำผ่านองค์ประกอบโจเซฟสันเดียวกันได้ พวกมันจึงเพิ่มอัตราการกระจายโฟตอนสองตัวขึ้น 10 เท่า เมื่อเทียบกับผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ โดยที่เวลาบิตพลิกเข้าใกล้หนึ่งวินาที ในกรณีนี้ถูกจำกัดโดยทรานส์มอน อัตราการกระจายโฟตอนสองโฟตอนที่สูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการจัดการควิบิตที่รวดเร็วและรอบการแก้ไขข้อผิดพลาดที่สั้น สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการแก้ไขข้อผิดพลาดการพลิกเฟสที่เหลืออยู่ในโค้ดการทำซ้ำของ cat qubits

แอปพลิเคชันในอนาคตด้วย cat qubits

แกร์ฮาร์ด เคียร์ชไมร์นักฟิสิกส์จากสถาบันควอนตัมทัศนศาสตร์และข้อมูลควอนตัมในเมืองอินส์บรุค ประเทศออสเตรีย ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาทั้งสองเรื่อง กล่าวว่างานทั้งสองอธิบายขั้นตอนสำคัญในการตระหนักถึงคิวบิตที่แก้ไขข้อผิดพลาดอย่างสมบูรณ์ “นี่คือขั้นตอนต่อไปในการแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างเต็มรูปแบบ” Kirchmair กล่าว “พวกเขาแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามีความเป็นไปได้ที่จะบรรลุการป้องกันแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลต่อการพลิกบิตในระบบเหล่านี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแนวทางนี้สามารถทำได้ในการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมเต็มรูปแบบ”

นักวิจัยรับทราบว่ายังคงมีอุปสรรคสำคัญอยู่ เนื่องจากความแม่นยำในการอ่านข้อมูลโดยใช้โปรโตคอลเกตโฮโลโนมิกค่อนข้างจำกัด พวกเขาจึงต้องการค้นหาวิธีปรับปรุงให้ดีขึ้น การสาธิตเกตที่เกี่ยวข้องกับ cat qubit หลายตัวและการตรวจสอบว่าการป้องกัน bit-flip โดยธรรมชาติยังคงอยู่หรือไม่จะเป็นอีกก้าวสำคัญ นอกจากนี้ ด้วยการตั้งค่าอุปกรณ์ออโตพารามิเตอร์แบบใหม่เพื่อแลกเปลี่ยนโฟตอนคู่กัน Raphaël Lescanne ผู้ร่วมก่อตั้งของ Alice & Bob คาดหวังว่าจะสามารถรักษาเสถียรภาพของ cat qubit โดยใช้สถานะที่เชื่อมโยงกันสี่สถานะที่แตกต่างกัน แทนที่จะเป็นเพียงสองสถานะ “เป้าหมายของเราคือการใช้ความแข็งแกร่งของการมีเพศสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนเพื่อรักษาเสถียรภาพของ cat-qubit สี่องค์ประกอบ ซึ่งจะนำเสนอ ในแหล่งกำเนิด การป้องกันข้อผิดพลาดการพลิกเฟสพร้อมกับการป้องกันข้อผิดพลาดการพลิกบิต” Lescanne กล่าว

Kirchmair เชื่อว่าผลลัพธ์เหล่านี้ปูทางไปสู่แผนการแก้ไขข้อผิดพลาดที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น โดยอาศัยคิวบิตที่มีอคติทางสัญญาณรบกวนอย่างมาก โดยที่อัตราการพลิกบิตจะต่ำกว่าอัตราการพลิกเฟสที่เหลืออยู่มาก “ขั้นตอนต่อไปคือการปรับขนาดระบบนี้เพื่อแก้ไขการพลิกเฟสด้วย ดังนั้นจึงตระหนักถึง qubit ที่แก้ไขข้อผิดพลาดอย่างสมบูรณ์” Kirchmair กล่าว โลกฟิสิกส์. “ใครๆ ก็สามารถจินตนาการถึงการรวมทั้งสองแนวทางไว้ในระบบเดียวเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ทั้งสองอย่างดีที่สุด และปรับปรุงเวลาในการพลิกบิตให้ดียิ่งขึ้นไปอีก”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์