양자 컴퓨터는 필수 작업에서 기존 컴퓨팅을 능가할 수 있지만 궁극적으로 양자 정보 손실로 이어지는 오류가 발생하기 쉬워 오늘날의 양자 장치가 제한됩니다. 따라서 대규모 양자 정보 프로세서를 달성하려면 과학자들은 양자 오류를 수정하기 위한 전략을 개발하고 구현해야 합니다.

파리에 본사를 둔 양자 컴퓨팅 회사의 연구원 앨리스와 밥, 프랑스 ENS-PSL 및 ENS de Lyon의 동료들과 함께 이제 소위 말하는 안정성과 제어를 강화하여 솔루션을 향한 상당한 진전을 이루었습니다. 고양이 큐비트. 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)의 유명한 사고 실험의 이름을 딴 이 양자 비트는 양자 공진기의 응집 상태를 논리적 상태로 사용합니다. Cat 큐비트는 일관성 있는 상태로 구성되어 환경의 특정 유형의 오류에 대해 본질적으로 견고하기 때문에 양자 오류 수정에 유망합니다.

새로운 측정 프로토콜

양자 비트는 위상 뒤집기와 비트 뒤집기라는 두 가지 유형의 오류로 인해 어려움을 겪습니다. 양자 컴퓨팅에서 비트 플립은 큐비트의 상태를 |0⟩에서 |1⟩로 또는 그 반대로 변경하는 오류로, 이는 기존 비트를 0에서 1로 뒤집는 것과 유사합니다. 반면에 위상 플립은 다음과 같습니다. 큐비트 중첩 상태의 |0⟩ 및 |1⟩ 구성 요소 사이의 상대 위상을 변경하는 오류입니다. Cat 큐비트는 시스템과 광자 쌍을 우선적으로 교환하는 환경에 큐비트를 연결하여 비트 플립 오류에 대해 안정화될 수 있습니다. 이는 비트 플립을 생성하는 일부 오류의 영향에 자동으로 대응하고 양자 상태가 원하는 오류 수정 하위 공간 내에 유지되도록 보장합니다. 그러나 양자 오류 수정의 과제는 단지 큐비트를 안정화하는 것만이 아닙니다. 또한 이를 안정적으로 유지하는 메커니즘을 손상시키지 않고 제어하는 ​​것입니다.

In 첫번째 에 게시된 한 쌍의 연구 중 arXiv 아직 동료 검토를 거치지 않은 사전 인쇄 서버에서 Alice & Bob, ENS-PSL 및 ENS de Lyon의 연구원은 비트 플립 시간을 10초 이상으로 늘리는 방법을 찾았습니다. 이는 이전 cat-qubit 구현보다 XNUMX배 더 긴 것입니다. – 여전히 고양이 큐비트를 완전히 제어하는 ​​동안. 그들은 칩의 초전도 양자 공진기에 갇힌 두 가지 고전적인 양자 상태의 양자 중첩으로 구성된 고양이 큐비트의 비트 플립 보호를 손상시키지 않는 판독 프로토콜을 도입하여 이를 달성했습니다. 결정적으로, 이러한 큐비트 상태를 읽고 제어하기 위해 고안한 새로운 측정 방식은 이전에 달성 가능한 비트 플립 시간을 제한했던 추가적인 물리적 제어 요소에 의존하지 않습니다.

이전 실험 설계에서는 2단계 양자 요소인 초전도 트랜스몬을 사용하여 고양이 큐비트의 상태를 제어하고 판독했습니다. 여기에서 연구원들은 고양이 큐비트에 2광자 안정화 메커니즘을 제공하는 동일한 보조 공진기를 사용하는 새로운 판독 및 제어 체계를 고안했습니다. 이 계획의 일환으로 그들은 양자 상태의 패리티를 공진기의 광자 수로 변환하는 소위 홀로노믹 게이트를 구현했습니다. 광자 수 패리티는 고양이 큐비트의 특징적인 속성입니다. 두 응집 상태의 등가 중첩에는 짝수 광자 수의 중첩만 포함되는 반면 마이너스 기호가 있는 동일한 중첩에는 홀수 광자 수의 중첩만 포함됩니다. 따라서 패리티는 양자 시스템의 상태에 대한 정보를 제공합니다.

고양이 큐비트의 안정화 재설계

Alice & Bob 팀은 양자 중첩 상태를 준비하고 이미지화하는 동시에 이러한 중첩의 위상을 제어하고 10초 이상의 비트 플립 시간과 490ns 이상의 위상 플립 시간을 유지했습니다. 그러나 고양이 큐비트를 기반으로 한 대규모 오류 수정 양자 컴퓨터를 완전히 실현하려면 우수한 제어와 빠른 판독뿐만 아니라 계산을 수행할 수 있을 만큼 오랫동안 고양이 큐비트를 안정적으로 유지하는 수단도 필요합니다. Alice & Bob과 ENS de Lyon의 연구원들은 이 중요하고 도전적인 과제를 다음과 같이 다루었습니다. 두 번째 연구.

안정화된 고양이 큐비트를 실현하기 위해 시스템은 한 번에 두 개의 광자만 소멸하면서 광자 쌍을 주입하는 2광자 프로세스로 구동될 수 있습니다. 이는 일반적으로 Cat 큐비트를 보조 공진기에 결합하고 정밀하게 조정된 마이크로파 펄스로 ATS(Asymmetrically-Threaded-SQUID)라는 요소를 펌핑하여 수행됩니다.. 그러나 이 접근 방식은 열 축적, 원치 않는 프로세스 활성화, 부피가 큰 마이크로파 전자 장치의 필요성과 같은 심각한 단점을 초래합니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 연구진은 추가 펌프가 필요하지 않도록 2광자 소산 메커니즘을 재설계했습니다. ATS 대신에 그들은 다중 조셉슨 접합으로 구성된 비선형 요소를 통해 손실 보조 모드에 결합된 초전도 발진기 모드에서 캣 큐비트를 구현했습니다. 조셉슨 요소는 두 개의 고양이 큐비트 광자의 에너지를 보조 공진기의 광자 한 개의 에너지와 정확하게 일치시킬 수 있는 "믹서" 역할을 합니다. 결과적으로, 소위 자동 매개 변수 프로세스에서 고양이 큐비트 공진기의 광자 쌍은 추가 마이크로파 펌프 없이 버퍼 모드의 단일 광자로 변환됩니다.

연구팀은 대칭 구조의 초전도 회로를 설계함으로써 동일한 조셉슨 요소를 통해 고품질 공진기와 저품질 공진기를 결합할 수 있었습니다. 이를 통해 그들은 이전 결과에 비해 10광자 소산 속도를 XNUMX배 증가시켰으며 비트플립 시간은 XNUMX초에 가까워졌습니다. 이 경우 트랜스몬에 의해 제한되었습니다. 빠른 큐비트 조작과 짧은 오류 수정 주기를 위해서는 높은 XNUMX광자 소산율이 필요합니다. 이는 고양이 큐비트의 반복 코드에서 나머지 위상 반전 오류를 수정하는 데 중요합니다.

고양이 큐비트를 사용한 미래 애플리케이션

게르하르트 키르히마이어오스트리아 인스브루크에 있는 양자광학 및 양자정보연구소의 물리학자인 그는 두 연구 모두에 참여하지 않았으며 두 연구 모두 완전히 오류가 수정된 큐비트를 실현하기 위한 중요한 단계를 설명한다고 말했습니다. Kirchmair는 “이것은 완전한 오류 수정을 향한 다음 단계입니다.”라고 말합니다. "그들은 이러한 시스템에서 비트 플립에 대한 지수적 보호를 달성하는 것이 가능하다는 것을 명확하게 보여 주며, 이는 이 접근 방식이 완전한 양자 오류 수정을 실현하는 데 실행 가능함을 보여줍니다."

연구원들은 상당한 장애물이 남아 있음을 인정합니다. 홀로노믹 게이트 프로토콜을 사용한 판독의 정확도는 다소 제한적이었기 때문에 이를 개선할 방법을 찾고자 합니다. 여러 고양이 큐비트가 포함된 게이트를 시연하고 고유한 비트 플립 보호가 유지되는지 확인하는 것이 또 다른 중요한 단계가 될 것입니다. 또한 Alice & Bob의 공동 창업자인 Raphaël Lescanne은 광자 쌍을 교환하기 위한 새로운 자동 매개 변수 장치 설정을 통해 두 개가 아닌 네 가지 응집 상태를 사용하여 고양이 큐비트를 안정화할 수 있을 것으로 기대합니다. “우리의 목표는 전례 없는 비선형 결합 강도를 사용하여 4개 구성 요소로 구성된 cat-qubit을 안정화하는 것입니다. 현장 비트 플립 오류 보호와 함께 위상 반전 오류 보호 기능을 제공합니다.”라고 Lescanne은 말합니다.

Kirchmair는 이러한 결과가 비트 플립 속도가 나머지 위상 플립 속도보다 훨씬 낮은 잡음 편향이 심한 큐비트에 의존하는 보다 정교한 오류 수정 방식을 위한 길을 열어준다고 믿습니다. Kirchmair는 "다음 단계는 위상 반전을 수정하여 완전히 오류가 수정된 큐비트를 실현하도록 이 시스템을 확장하는 것입니다."라고 말했습니다. 물리 세계. "두 가지 접근 방식을 하나의 시스템에 결합하여 두 결과를 최대한 활용하고 비트 플립 시간을 더욱 향상시키는 것을 상상할 수도 있습니다."

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