Котячі кубіти виходять на новий рівень стабільності – Physics World

Квантові комп’ютери могли б перевершити звичайні обчислення в основних завданнях, але вони схильні до помилок, які зрештою призводять до втрати квантової інформації, що обмежує сучасні квантові пристрої. Тому, щоб створити великомасштабні процесори квантової інформації, вченим необхідно розробити та впровадити стратегії для виправлення квантових помилок.

Дослідники паризької фірми квантових обчислень Аліса і Бобразом із колегами з французьких ENS–PSL і ENS de Lyon досягли значних успіхів на шляху до вирішення, підвищивши стабільність і контроль т.зв. котячі кубіти. Названі на честь знаменитого уявного експерименту Ервіна Шредінгера, ці квантові біти використовують когерентні стани квантового резонатора як свої логічні стани. Кубіти Cat є перспективними для квантової корекції помилок, оскільки вони побудовані з узгоджених станів, що робить їх за своєю суттю стійкими до певних типів помилок із середовища.

Новий протокол вимірювання

Квантові біти страждають від двох типів помилок: перевороти фази та перевороти бітів. У квантових обчисленнях перевертання біта — це помилка, яка змінює стан кубіта з |0⟩ на |1⟩ або навпаки, аналогічно перевороту класичного біта з 0 на 1. З іншого боку, перевертання фази помилка, яка змінює відносну фазу між |0⟩ і |1⟩ компонентами стану суперпозиції кубіта. Кубіти Cat можна стабілізувати проти помилок біт-фліп, з’єднавши кубіт із середовищем, яке переважно обмінюється парами фотонів із системою. Це автономно протидіє ефектам деяких помилок, які генерують бітові перевороти, і гарантує, що квантовий стан залишається в межах бажаного підпростору з виправленням помилок. Однак проблема квантової корекції помилок полягає не лише в стабілізації кубітів. Йдеться також про контроль над ними, не порушуючи механізми, які забезпечують їх стабільність.

In перший з пари досліджень, розміщених на ArXiv сервер препринтів, який ще не пройшов експертну перевірку, дослідники Alice & Bob, ENS-PSL і ENS de Lyon знайшли спосіб збільшити час перевертання бітів до понад 10 секунд – на чотири порядки більше, ніж у попередніх реалізаціях cat-qubit – при цьому повністю контролюючи котячий кубіт. Вони досягли цього, запровадивши протокол зчитування, який не ставить під загрозу захист від біт-фліпу в їх котячому кубіті, який складається з квантової суперпозиції двох класичних квантових станів, захоплених у надпровідному квантовому резонаторі на чіпі. Важливо те, що нова схема вимірювання, яку вони розробили для зчитування та керування цими станами кубітів, не покладається на додаткові фізичні елементи керування, які раніше обмежували досяжний час перемикання бітів.

У попередніх планах експериментів використовувався надпровідний трансмон – дворівневий квантовий елемент – для контролю та зчитування стану котячого кубіта. Тут дослідники розробили нову схему зчитування та керування, яка використовує той самий допоміжний резонатор, який забезпечує двофотонний механізм стабілізації котячого кубіту. У рамках цієї схеми вони реалізували так званий голономний затвор, який перетворює парність квантового стану на кількість фотонів у резонаторі. Парність числа фотонів є характерною властивістю котячого кубіта: рівна суперпозиція двох когерентних станів містить лише суперпозиції парних чисел фотонів, тоді як та сама суперпозиція, але зі знаком мінус, містить лише суперпозиції непарних чисел фотонів. Тому парність надає інформацію про те, в якому стані перебуває квантова система.

Редизайн стабілізації котячих кубітів

Команда Alice & Bob підготувала та відобразила стани квантової суперпозиції, одночасно контролюючи фазу цих суперпозицій і підтримуючи час зміни біта понад 10 секунд і час зміни фази понад 490 нс. Повна реалізація великомасштабного квантового комп’ютера з виправленням помилок на основі котячих кубітів, однак, вимагатиме не лише хорошого контролю та швидкого зчитування, але й засобів, які гарантують, що котячий кубіт залишається стабільним достатньо довго для виконання обчислень. Дослідники з Alice & Bob і ENS de Lyon вирішували це важливе та складне завдання в друге дослідження.

Щоб реалізувати стабілізований котячий кубіт, система може керуватися двофотонним процесом, який вводить пари фотонів, одночасно розсіюючи лише два фотони. Зазвичай це робиться шляхом з’єднання котячого кубіта з допоміжним резонатором і накачуванням елемента, який називається СКВІД з асиметричним потоком (ATS) точно налаштованими мікрохвильовими імпульсами.. Цей підхід, однак, створює значні недоліки, такі як накопичення тепла, активація небажаних процесів і необхідність громіздкої мікрохвильової електроніки.

Щоб пом’якшити ці проблеми, дослідники переробили механізм розсіювання двох фотонів таким чином, щоб він не потребував такого додаткового насоса. Замість ATS вони реалізували кіт-кубіт у режимі надпровідного осцилятора, поєднаного з допоміжним режимом із втратами через нелінійний елемент, що складається з кількох джозефсонівських переходів. Елемент Джозефсона служить «змішувачем», який дозволяє точно узгодити енергію двох фотонів котячого кубіта з енергією одного фотона в допоміжному резонаторі. У результаті в цьому так званому автопараметричному процесі пари фотонів у резонаторі котячого кубіта перетворюються в один фотон буферного режиму без необхідності будь-якого додаткового мікрохвильового насоса.

Розробивши надпровідний контур із симетричною структурою, команда змогла з’єднати високоякісний резонатор із низькоякісним через той самий елемент Джозефсона. Таким чином, вони збільшили швидкість розсіювання двох фотонів у 10 разів порівняно з попередніми результатами, причому час зміни біта наближається до однієї секунди – у цьому випадку обмежений трансмоном. Висока швидкість розсіювання двох фотонів необхідна для швидкого маніпулювання кубітом і коротких циклів виправлення помилок. Вони мають вирішальне значення для виправлення решти помилок зміни фази в коді повторення котячих кубітів.

Майбутні програми з котячими кубітами

Герхард Кірхмайр, фізик з Інституту квантової оптики та квантової інформації в Інсбруку, Австрія, який не брав участі в жодному дослідженні, каже, що обидві роботи описують важливі кроки на шляху до реалізації кубіта з повністю виправленими помилками. «Це наступні кроки до повноцінного виправлення помилок», — каже Кірхмайр. «Вони чітко демонструють, що в цих системах можна досягти експоненціального захисту від перевертань бітів, що демонструє, що цей підхід життєздатний для реалізації повної квантової корекції помилок».

Дослідники визнають, що значні перешкоди залишаються. Оскільки точність зчитування за допомогою протоколу голономних воріт була досить обмеженою, вони хочуть знайти способи її покращити. Ще одним важливим кроком стане демонстрація воріт, що включають кілька котячих кубітів, і перевірка того, чи залишається властивий захист від перевертання бітів. Крім того, за допомогою нового автопараметричного пристрою для обміну парами фотонів співзасновник Alice & Bob Рафаель Лесканн передбачає можливість стабілізувати котячий кубіт, використовуючи чотири різні когерентні стани замість двох. «Наша мета полягає в тому, щоб використати безпрецедентну силу нелінійного зв’язку для стабілізації чотирикомпонентного кот-кубіта, який запропонує на місці захист від помилок перетворення фаз разом із захистом від помилок перетворення бітів», — каже Лесканн.

Чому Аліса та Боб створюють котячі кубіти, IOP закликає до дій щодо нульової цілі

Кірчмайр вважає, що ці результати прокладають шлях для більш складних схем виправлення помилок, що спираються на ці сильно упереджені від шуму кубіти, де швидкість перетворення бітів набагато нижча, ніж швидкість перетворення залишкової фази. «Наступними кроками буде масштабування цієї системи, щоб також виправити перевороти фази, таким чином реалізуючи кубіт із повністю виправленими помилками», — розповідає Кірчмайр. Світ фізики. «Можна навіть уявити собі поєднання обох підходів в одній системі, щоб отримати найкращі результати від обох і ще більше покращити час перевороту бітів».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/