量子コンピューティングの歴史を通じて、超伝導量子ビットのコヒーレンス時間、つまり量子情報を保持する時間は大幅に改善されました。大きな改善の 1 つは、超伝導量子ビットを 3 次元マイクロ波共振器空洞内に配置することによってもたらされ、空洞内に保存された光子に量子ビットの状態を符号化することで量子ビットの状態を保存します。
最近の研究では、イスラエルのワイツマン科学研究所の研究者らが、単一光子コヒーレンス時間 34 ミリ秒 (ms) の新しい XNUMX 次元空洞量子ビット設定を実証することで、この手法の限界を押し広げました。長いコヒーレンス時間は、低エラーの量子ビット操作を達成する (これによりフォールト トレランスに必要なハードウェアが削減される) ための鍵であり、新しいコヒーレンス時間は以前の記録を XNUMX 桁以上破ります。
量子ビットは環境に対して非常に敏感であり、ノイズによりすぐに情報を失います。量子ビットの状態をより長く保存するために、研究者は記憶装置の一種としてマイクロ波共振器空洞に注目しました。名前が示すように、これらの空洞は、超伝導トランスモン量子ビット チップとそれと相互作用するマイクロ波光子を収容するように設計された中空空間で構成される 3 次元構造です。特定のマイクロ波パルスの印加を伴うエンコードプロセスを通じて、量子ビット状態はキャビティ状態に転送され、そこに保存されます。必要な期間が経過すると、状態をエンコードしてトランスモンに戻すことによって状態が取得されます。したがって、空洞は、その中に置かれた量子ビットの制御と測定において重要な役割を果たします。
量子情報処理における実際の応用のためには、キャビティは量子状態を長期間保存できなければなりません。ただし、さまざまな外部要因により、これを達成するのは簡単ではありません。光子は光の最小粒子であるため、閉じ込めるのが難しく、簡単に失われます。キャビティ内に配置された量子ビット チップ内の障害は、光子の減衰とデコヒーレンスの重大な原因となります。空洞の表面に不要な酸化物層が形成されると、光子の寿命がさらに短くなります。
斬新なキャビティ設計のエンジニアリング
によって導かれて セルジュ・ローゼンブラム, オフィル・ミルル, バーカイ・グテル, ウリ・ゴールドブラット、ワイツマン チーム 彼らは、長寿命の単一光子量子ビットをサポートする低損失超伝導ニオブ空洞を設計することで、これらの課題を克服しました。彼らは、高純度のニオブを使用してキャビティの 2 つの別々の部分を製造し、後でそれらの部分を溶接して光子の漏れを防ぎました。また、キャビティを化学的に研磨することにより、酸化物や表面の汚染物質も除去しました。
結果として得られる構造は、開いた傘に少し似ており、半楕円形の幾何学形状が、傘のハンドルが配置される狭い導波路に発展します。電波を焦点に向かって反射する曲面を持つ衛星パラボラアンテナと同様に、キャビティの楕円構造により、キャビティの残りの半分の平面の中心に電磁場が集中します (画像を参照)。
チームが空洞を準備した後、「最大の課題は、空洞の光子の寿命を縮めることなく、超伝導トランスモン量子ビットを空洞に統合することでした」とローゼンブラム氏は言う。 「これは、量子システムにおける一方の制御性と他方の分離との間の悪名高いバランスをとる行為に私たちを戻します。」
研究者らは、トランスモンチップの約1ミリメートルだけを楕円形の空洞内に配置し、残りは導波路内に収容することでこのバランスを達成した。この構成により、チップによる損失が最小限に抑えられます。ただし、チップへの空洞の露出が制限されているため、空洞とトランスモンの相互作用が弱まるため、研究者らは、空洞内の量子ビット状態をエンコードするために強力なマイクロ波パルスを適用することでこれを補った。
量子メモリと量子誤り訂正にキャビティを利用する
この革新的な共振器設計のおかげで、研究者らは 25 ミリ秒の単一光子の寿命と 34 ミリ秒のコヒーレンス時間を達成しました。これは、コヒーレンス時間が約 2 ms だった以前の最先端のキャビティに比べて大幅な改善です。
Rosenblumらはまた、ボソン量子誤り訂正として知られる誤り訂正方法を実証した。この方法では、量子ビットの情報が空洞（いわゆるシュレディンガー猫状態）を占める複数の光子に冗長的に格納される。これにより、脆弱な量子ビットの状態が少数ではなく多くの空洞光子に保存されることで保存されます。欠点は、保存されるフォトンの数が増加するにつれて、フォトンの損失率も増加することです。この制約にもかかわらず、ワイツマンのチームは 1024 個の光子のサイズでシュレディンガー猫状態を達成しました。これは平均 256 個の光子に相当し、これまでの実証よりも 10 倍大きく、ボソン量子誤差補正のパフォーマンスを向上させる可能性がある注目すべき進歩です。
Cat 量子ビットが新たな安定性レベルに到達
光子の寿命がゲート操作に必要な時間よりも 4 桁長いため、この画期的な進歩により、量子ビットが情報を失う前に制御するための十分な時間が得られます。今後を見据えて、ローゼンブラム氏は、チームの目標は、前例のない忠実度、つまり成功確率でこれらの空洞での量子操作を実現することであると述べています。注目すべきことに、彼は研究が出版された後、次のように述べています。 PRXクォンタム、チームは単一光子の寿命を 60 倍以上の XNUMX ミリ秒に延長し、さらなる進歩の大きな可能性を示しています。
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
