量子コンピューターは、重要なタスクにおいて従来のコンピューティングを上回る可能性がありますが、エラーが発生しやすく、最終的には量子情報の損失につながり、今日の量子デバイスが制限されます。したがって、大規模な量子情報プロセッサを実現するには、科学者は量子エラーを修正する戦略を開発し、実装する必要があります。

パリに本拠を置く量子コンピューティング企業の研究者 アリスとボブは、フランスの ENS-PSL および ENS de Lyon の同僚と協力して、いわゆる 猫量子ビット。エルヴィン・シュレーディンガーの有名な思考実験にちなんで名付けられたこれらの量子ビットは、量子共振器のコヒーレント状態を論理状態として使用します。 Cat 量子ビットはコヒーレント状態から構築されており、環境からの特定の種類のエラーに対して本質的に堅牢であるため、量子エラー修正に有望です。

新しい測定プロトコル

量子ビットには、位相反転とビット反転という 0 種類のエラーが発生します。量子コンピューティングにおけるビット 反転は、古典的なビットを 1 から 0 に反転するのと同様に、量子ビットの状態を |1⟩ から |0⟩ に、またはその逆に変更するエラーです。一方、位相反転は次のようになります。量子ビットの重ね合わせ状態の |1⟩ 成分と |XNUMX⟩ 成分の間の相対位相を変える誤差。 Cat 量子ビットは、システムと光子のペアを優先的に交換する環境に量子ビットを結合することで、ビット反転エラーに対して安定化できます。これにより、ビット反転を生成する一部のエラーの影響が自律的に打ち消され、量子状態が目的のエラー訂正された部分空間内に確実に維持されます。ただし、量子誤り訂正の課題は量子ビットの安定化だけではありません。また、安定性を維持するメカニズムを壊すことなく、それらを制御することも重要です。

In 最初の に投稿された一対の研究の arXivの プレプリント サーバーであり、まだ査読されていませんが、Alice & Bob、ENS-PSL、ENS de Lyon の研究者は、ビット フリップ時間を 10 秒以上に増やす方法を発見しました。これは、以前の cat-qubit 実装よりも XNUMX 桁長くなります。 – cat qubit を完全に制御しながら。彼らは、チップ上の超伝導量子共振器に閉じ込められたXNUMXつの古典的な量子状態の量子重ね合わせで構成されるcat量子ビットのビットフリップ保護を損なうことのない読み出しプロトコルを導入することでこれを達成した。重要なのは、これらの量子ビット状態を読み出して制御するために彼らが考案した新しい測定方式は、以前は達成可能なビットフリップ時間を制限していた追加の物理制御要素に依存しないことです。

以前の実験設計では、cat 量子ビットの状態を制御し読み出すために、超伝導トランスモン (2 レベルの量子要素) を使用していました。ここで研究者らは、cat 量子ビットに 2 光子安定化メカニズムを提供するのと同じ補助共振器を使用する、新しい読み出しおよび制御スキームを考案しました。この計画の一部として、彼らは量子状態のパリティを共振器内の光子の数に変換する、いわゆるホロノミック ゲートを実装しました。光子数パリティは cat qubit の特徴的な特性です。2 つのコヒーレント状態の等しい重ね合わせには偶数の光子数の重ね合わせのみが含まれますが、マイナス符号が付いた同じ重ね合わせには奇数の光子数の重ね合わせのみが含まれます。したがって、パリティは、量子システムがどのような状態にあるかに関する情報を提供します。

cat 量子ビットの安定化を再設計する

アリスとボブのチームは、量子重ね合わせ状態を準備して画像化すると同時に、これらの重ね合わせの位相を制御し、10 秒を超えるビット フリップ時間と 490 ns を超える位相フリップ時間を維持しました。ただし、cat 量子ビットに基づく大規模な誤り訂正量子コンピューターを完全に実現するには、優れた制御と高速読み出しだけでなく、計算を実行するのに十分な時間にわたって cat 量子ビットが安定した状態を維持する手段も必要になります。アリス＆ボブとENS de Lyonの研究者は、この重要かつ困難な課題に取り組みました。 第二の研究.

安定化された cat qubit を実現するために、システムは、一度に 2 つの光子のみを散逸させながら、光子のペアを注入する 2 光子プロセスによって駆動できます。これは通常、猫量子ビットを補助共振器に結合し、非対称スレッド SQUID (ATS) と呼ばれる要素を正確に調整されたマイクロ波パルスでポンピングすることによって行われます。. しかし、このアプローチには、熱の蓄積、不要なプロセスの活性化、大型のマイクロ波電子機器の必要性など、重大な欠点があります。

これらの問題を軽減するために、研究者らは追加のポンプを必要としないように 2 光子散逸メカニズムを再設計しました。彼らは、ATSの代わりに、複数のジョセフソン接合で構成される非線形素子を介して損失の多い補助モードに結合された超伝導発振器モードでcat量子ビットを実装しました。ジョセフソン素子は、補助共振器内の 2 つの猫量子ビット光子のエネルギーを 1 つの光子のエネルギーに正確に一致させることを可能にする「ミキサー」として機能します。その結果、このいわゆるオートパラメトリックプロセスでは、追加のマイクロ波ポンプを必要とせずに、cat qubit共振器内の光子のペアがバッファモードの単一光子に変換されます。

対称構造の超電導回路を設計することで、研究チームは同じジョセフソン素子を介して高品質の共振器と低品質の共振器を結合することができた。これにより、以前の結果と比較して 10 光子の散逸率が XNUMX 倍に増加し、ビット反転時間は XNUMX 秒に近づきました。この場合、トランスモンによって制限されました。高速量子ビット操作と短い誤り訂正サイクルには、高い XNUMX 光子散逸率が必要です。これらは、cat 量子ビットの繰り返しコードに残っている位相反転エラーを修正するために重要です。

cat 量子ビットを使用した将来のアプリケーション

ゲルハルト・キルヒメアオーストリアのインスブルックにある量子光学・量子情報研究所の物理学者は、どちらの研究にも関与していなかったが、両方の研究は完全に誤り訂正された量子ビットの実現に向けた重要なステップを説明していると述べた。 「これらは本格的なエラー修正に向けた次のステップです」とカーシュメア氏は言います。 「これらのシステムでは、ビット反転に対する指数関数的な保護を達成できることが明確に実証されており、このアプローチが完全な量子誤り訂正を実現できることが実証されています。」

研究者らは、重大な障害が残っていることを認めている。ホロノミック ゲート プロトコルを使用した読み出しの精度はかなり制限されていたため、彼らはそれを改善する方法を見つけたいと考えています。複数の Cat 量子ビットを含むゲートを実証し、固有のビット反転保護が残っているかどうかを確認することも、別の重要なステップになります。さらに、光子のペアを交換する新しいオートパラメトリック デバイスのセットアップにより、Alice & Bob の共同創設者である Raphaël Lescanne 氏は、2 つだけではなく 4 つの異なるコヒーレント状態を使用して Cat 量子ビットを安定化できると予想しています。 「私たちの目標は、前例のない非線形結合強度を使用して 4 成分の cat-qubit を安定化することです。 現場の 位相反転エラー保護とビット反転エラー保護を組み合わせたものです」と Lescanne 氏は言います。

カーシュメア氏は、これらの結果は、ビット反転率が残りの位相反転率よりもはるかに低い、ノイズが大きく偏った量子ビットに依存する、より精巧な誤り訂正スキームへの道を開くものであると考えています。 「次のステップでは、このシステムをスケーリングして位相反転も修正し、完全に誤り訂正された量子ビットを実現します」とカーシュメア氏は語る 物理学の世界。 「両方のアプローチを 1 つのシステムに組み合わせて、両方の結果を最大限に活用し、ビット フリップ時間をさらに改善することも考えられます。」

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