Cat 量子位达到新的稳定性水平 – 物理世界

量子计算机可以在基本任务中超越传统计算，但它们很容易出错，最终导致量子信息丢失，从而限制了当今的量子设备。因此，为了实现大规模量子信息处理器，科学家需要开发并实施纠正量子错误的策略。

巴黎量子计算公司的研究人员 爱丽丝和鲍勃与法国 ENS-PSL 和 ENS de Lyon 的同事一起，通过增强所谓的稳定性和控制，现已在解决方案方面取得了重大进展。 猫量子位。这些量子位以埃尔文·薛定谔著名的思想实验命名，使用量子谐振器的相干态作为其逻辑状态。 Cat 量子位在量子纠错方面很有前景，因为它们是由相干态构成的，这使得它们本质上对来自环境的某些类型的错误具有鲁棒性。

新的测量协议

量子比特会遭受两种类型的错误：相位翻转和比特翻转。在量子计算中，位翻转是一种错误，它将量子位的状态从 |0⟩ 更改为 |1⟩，反之亦然，类似于将经典位从 0 翻转到 1。另一方面，相位翻转是改变量子位叠加状态的 |0⟩ 和 |1⟩ 分量之间的相对相位的错误。通过将量子位耦合到优先与系统交换光子对的环境，可以稳定 Cat 量子位以防止位翻转错误。这会自动抵消一些产生位翻转的错误的影响，并确保量子态保持在所需的纠错子空间内。然而，量子纠错的挑战不仅仅是稳定量子位。它还涉及在不破坏保持它们稳定的机制的情况下控制它们。

In 第一位 发表在 arXiv Alice & Bob、ENS-PSL 和 ENS de Lyon 的研究人员发现了一种将位翻转时间增加到 10 秒以上的方法，比之前的 cat-qubit 实现长了四个数量级– 同时仍然完全控制猫量子位。他们通过引入一种读出协议来实现这一目标，该协议不会损害猫量子位中的位翻转保护，该猫量子位由被困在芯片上的超导量子谐振器中的两种经典量子态的量子叠加组成。至关重要的是，他们设计的用于读取和控制这些量子位状态的新测量方案不依赖于额外的物理控制元件，这些元件之前限制了可实现的位翻转时间。

之前的实验设计使用超导传输器（一种两级量子元件）来控制和读出猫量子位的状态。在这里，研究人员设计了一种新的读出和控制方案，该方案使用相同的辅助谐振器，为猫量子位提供双光子稳定机制。作为该方案的一部分，他们实现了所谓的完整门，将量子态的奇偶性转换为谐振器中的光子数量。光子数奇偶性是猫量子位的一个特性：两个相干态的相等叠加仅包含偶数光子数的叠加，而相同的叠加但带有负号仅包含奇数光子数的叠加。因此，宇称提供了有关量子系统所处状态的信息。

重新设计猫量子位的稳定性

Alice 和 Bob 团队准备并成像了量子叠加态，同时控制这些叠加态的相位并保持超过 10 秒的位翻转时间和超过 490 ns 的相位翻转时间。然而，完全实现基于猫量子位的大规模纠错量子计算机不仅需要良好的控制和快速读出，还需要一种确保猫量子位保持足够长时间稳定以执行计算的方法。来自 Alice & Bob 和 ENS de Lyon 的研究人员在 第二项研究.

为了实现稳定的猫量子位，该系统可以通过双光子过程驱动，该过程注入光子对，同时仅耗散两个光子。这通常是通过将猫量子位耦合到辅助谐振器并用精确调谐的微波脉冲泵浦称为非对称线程 SQUID (ATS) 的元件来完成的。. 然而，这种方法存在明显的缺点，例如热量积聚、不必要的过程的激活以及需要庞大的微波电子设备。

为了缓解这些问题，研究人员重新设计了双光子耗散机制，使其不需要额外的泵。他们没有使用 ATS，而是在超导振荡器模式下实现了猫量子位，并通过由多个约瑟夫森结组成的非线性元件耦合到有损辅助模式。约瑟夫森元件充当“混合器”，可以将两个猫量子位光子的能量与辅助谐振器中一个光子的能量精确匹配。因此，在这个所谓的自参数过程中，猫量子位谐振器中的光子对被转换为缓冲模式的单个光子，而不需要任何额外的微波泵。

通过设计具有对称结构的超导电路，该团队能够通过相同的约瑟夫森元件将高质量谐振器与低质量谐振器耦合起来。因此，与之前的结果相比，他们将双光子耗散率提高了 10 倍，位翻转时间接近一秒——在这种情况下受到传输器的限制。快速量子位操作和短纠错周期需要高双光子耗散率。这些对于纠正猫量子位重复码中剩余的相位翻转错误至关重要。

猫量子位的未来应用

格哈德·基希梅尔奥地利因斯布鲁克量子光学和量子信息研究所的物理学家并未参与这两项研究，他表示，这两篇论文都描述了实现完全纠错量子位的重要步骤。 “这些是全面纠错的下一步，”基希梅尔说。 “他们清楚地表明，在这些系统中实现针对位翻转的指数级保护是可能的，这表明这种方法对于实现完全量子纠错是可行的。”

研究人员承认仍然存在重大障碍。由于使用完整门协议的读出精度相当有限，因此他们希望找到改进的方法。演示涉及多个猫量子位的门并检查固有的位翻转保护是否仍然存在将是另一个重要的步骤。此外，通过新的自动参数设备设置来交换光子对，Alice & Bob 联合创始人 Raphaël Lescanne 预计能够使用四种不同的相干态而不是仅两种来稳定猫量子位。 “我们的目标是利用前所未有的非线性耦合强度来稳定四分量猫量子位，这将提供 原位 相位翻转错误保护和位翻转错误保护，”Lescanne 说。

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Kirchmair 认为，这些结果为依赖这些严重噪声偏差的量子位的更复杂的纠错方案铺平了道路，其中位翻转率远低于剩余的相位翻转率。 Kirchmair 表示：“下一步将扩展该系统，以纠正相位翻转，从而实现完全纠错的量子位。” 物理世界。 “人们甚至可以想象将这两种方法结合在一个系统中，以充分利用两种结果并进一步缩短位翻转时间。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/