Новий кубіт із надпровідною порожниною розширює межі квантової когерентності – Physics World

За історію квантових обчислень час когерентності надпровідних кубітів, тобто час, протягом якого вони зберігають свою квантову інформацію, різко покращився. Одним із важливих удосконалень є розміщення надпровідних кубітів усередині тривимірних порожнин мікрохвильового резонатора, які зберігають стан кубіта, кодуючи його у фотонах, що зберігаються в порожнині.

У недавньому дослідженні дослідники з Ізраїльського наукового інституту Вейцмана розширили межі цього методу, продемонструвавши нову тривимірну кубітну установку з порожниною з часом когерентності одного фотона 34 мілісекунди (мс). Тривалий час когерентності є ключовим для досягнення операцій з кубітом з низьким рівнем помилок (таким чином зменшується апаратне забезпечення, необхідне для відмовостійкості), а новий час когерентності перевершує попередній рекорд більш ніж на порядок.

Кубіти дуже чутливі до свого середовища та легко втрачають інформацію через шум. Щоб довше зберегти стан кубіта, дослідники звернулися до мікрохвильових резонаторів як форми пристрою зберігання даних. Як випливає з назви, ці порожнини є тривимірними структурами, що містять порожнистий простір, призначений для розміщення надпровідного трансмон-кубітного чіпа та мікрохвильових фотонів, які з ним взаємодіють. За допомогою процесу кодування, що включає застосування спеціальних мікрохвильових імпульсів, стан кубіта переноситься в стан порожнини і зберігається там. Коли потрібний період мине, стан повертається шляхом його кодування назад у трансмон. Таким чином, порожнина відіграє вирішальну роль у контролі та вимірюванні кубіта, розміщеного всередині неї.

Для практичного застосування в квантовій обробці інформації порожнина повинна бути здатна зберігати квантовий стан протягом тривалого часу. Однак досягти цього непросто через різні зовнішні фактори. Оскільки фотони є найдрібнішими частинками світла, їх важко утримати, і вони легко втрачаються. Порушення в чіпі кубіта, розміщеному всередині порожнини, є значними джерелами затухання фотонів і декогерентності. Утворення небажаного оксидного шару на поверхні порожнини ще більше зменшує час життя фотона.

Розробка нової конструкції порожнини

На чолі з Серж Розенблюм, Фаб'єн Лафон, Офір Мілул, Баркай Гуттель, Урі Гольдблат та Ніцан Кан, Вейцмана команда подолали ці проблеми, розробивши надпровідну ніобієву порожнину з низькими втратами, яка підтримує довгоживучий однофотонний кубіт. Вони використовували високочистий ніобій для виготовлення двох окремих частин порожнини, а пізніше зварили частини разом, щоб запобігти витоку фотонів. Вони також видалили оксид і поверхневі забруднення шляхом хімічного полірування порожнини.

Отримана структура трохи схожа на розкриту парасольку з напівеліптичною геометрією, яка перетворюється у вузький хвилевід, де була б ручка парасольки. Подібно до супутникової антени, яка має вигнуту поверхню, що відбиває радіохвилі в напрямку фокусу, еліптична структура резонатора концентрує електромагнітне поле в центрі плоскої поверхні іншої половини резонатора (див. зображення).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence-physics-world.png" data-caption="Налаштування порожнини Зліва: діаграма трансмон-чіпа команди, вставленого у вузький хвилевід і частково виступаючого в напівеліптичну надпровідну порожнину. Праворуч: фотографія двох половин порожнини перед складанням. (З люб’язного дозволу: Мілул та ін., «Кубіт надпровідної порожнини з часом когерентності одного фотона в десятки мілісекунд», PRX Quantum 4 030336 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030336; Serge Rosenblum)” title=”Натисніть, щоб відкрити зображення у спливаючому вікні” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of -quantum-coherence-physics-world.png”>

Після того, як команда підготувала порожнину, «найбільшою проблемою було інтегрувати надпровідний трансмон-кубіт у порожнину без зменшення часу життя фотонів у порожнині», — каже Розенблюм. «Це повертає нас до сумнозвісного балансування в квантових системах між керованістю з одного боку та ізоляцією з іншого».

Дослідники досягли цього балансу, помістивши лише близько 1 міліметра трансмонового чіпа всередину еліптичної порожнини, тоді як решта розміщується всередині хвилеводу. Ця конфігурація мінімізує втрати, спричинені чіпом. Однак обмежений вплив порожнини на чіп послаблює взаємодію порожнини та трансмона, тому дослідники компенсували це, застосовуючи потужні мікрохвильові імпульси для кодування стану кубіта в порожнині.

Використання порожнини для квантової пам’яті та квантового виправлення помилок

Завдяки цій інноваційній конструкції резонатора дослідники досягли часу життя одного фотона 25 мс і часу когерентності 34 мс. Це значне покращення порівняно з попереднім найсучаснішим резонатором, який мав час когерентності близько 2 мс.

Розенблюм і його колеги також продемонстрували метод виправлення помилок, відомий як бозонна квантова корекція помилок, за допомогою якого інформація про кубіт надмірно зберігається в кількох фотонах, що займають порожнину (так звані стани кота Шредінгера). Це зберігає крихкий стан кубіта, зберігаючи його в багатьох фотонах порожнини, а не лише в кількох. Недоліком є ​​те, що зі збільшенням кількості збережених фотонів зростає і швидкість втрати фотонів. Незважаючи на це обмеження, команда Вейцмана досягла котячих станів Шредінгера розміром 1024 фотона. Це відповідає середньому числу 256 фотонів, що в 10 разів більше, ніж у попередніх демонстраціях. Це чудовий прогрес, який може покращити продуктивність бозонної квантової корекції помилок.

Оскільки час життя фотона на чотири порядки перевищує час, необхідний для роботи воріт, цей прорив забезпечує достатньо часу для керування кубітом, перш ніж він втратить інформацію. Забігаючи наперед, Розенблюм каже, що мета команди полягає в тому, щоб реалізувати квантові операції на цих порожнинах з безпрецедентною точністю або ймовірністю успіху. Примітно, що він згадує, що після публікації дослідження в PRX Quantum, команда більш ніж подвоїла час життя одного фотона до 60 мс, що вказує на значний потенціал для подальшого прогресу.

• 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/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/