양자 컴퓨팅의 역사를 통해 초전도 큐비트의 일관성 시간, 즉 양자 정보를 유지하는 시간이 크게 향상되었습니다. 한 가지 주요 개선 사항은 3차원 마이크로파 공진기 공동 내부에 초전도 큐비트를 배치하는 것입니다. 이는 공동에 저장된 광자로 큐비트를 인코딩하여 큐비트의 상태를 보존합니다.
최근 연구에서 이스라엘 Weizmann Institute of Science의 연구원들은 단일 광자 일관성 시간이 34ms인 새로운 XNUMX차원 공동 큐비트 설정을 시연하여 이 방법의 한계를 확장했습니다. 긴 일관성 시간은 낮은 오류 큐비트 작업을 달성하는 데 핵심이며(따라서 내결함성에 필요한 하드웨어 감소), 새로운 일관성 시간은 이전 기록을 XNUMX배 이상 깨뜨립니다.
큐비트는 환경에 매우 민감하며 소음으로 인해 정보를 쉽게 잃습니다. 큐비트 상태를 더 오랫동안 보존하기 위해 연구자들은 마이크로파 공진기 공동을 저장 장치의 한 형태로 전환했습니다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 공동은 초전도 트랜스몬 큐비트 칩과 이와 상호 작용하는 마이크로파 광자를 수용하도록 설계된 빈 공간으로 구성된 3차원 구조입니다. 특정 마이크로파 펄스를 적용하는 인코딩 프로세스를 통해 큐비트 상태가 캐비티 상태로 전송되어 거기에 저장됩니다. 원하는 기간이 지나면 상태를 다시 transmon으로 인코딩하여 상태를 검색합니다. 따라서 공동은 내부에 배치된 큐비트를 제어하고 측정하는 데 중요한 역할을 합니다.
양자 정보 처리에 실제로 적용하려면 공동이 장기간 양자 상태를 저장할 수 있어야 합니다. 그러나 이를 달성하는 것은 다양한 외부 요인으로 인해 쉽지 않습니다. 광자는 빛의 가장 작은 입자이기 때문에 가두기가 어렵고 쉽게 손실됩니다. 캐비티 내부에 배치된 큐비트 칩의 교란은 광자 감쇠 및 결어긋남의 중요한 원인입니다. 캐비티 표면에 원치 않는 산화물 층이 형성되면 광자 수명이 더욱 단축됩니다.
새로운 캐비티 설계 엔지니어링
주도 세르주 로젠블럼, 오피르 밀룰, 바르케이 구텔및 유리 골드블라트, 바이츠만 팀 수명이 긴 단일 광자 큐비트를 지원하는 저손실 초전도 니오븀 공동을 설계하여 이러한 문제를 극복했습니다. 그들은 고순도 니오븀을 사용하여 공동의 두 부분을 분리하고 나중에 광자가 누출되는 것을 방지하기 위해 부품을 함께 용접했습니다. 또한 캐비티를 화학적으로 연마하여 산화물과 표면 오염 물질을 제거했습니다.
결과 구조는 우산 손잡이가 있는 좁은 도파관으로 발전하는 반타원형 기하학을 갖춘 열린 우산과 약간 비슷해 보입니다. 초점을 향해 전파를 반사하는 곡면을 가진 위성 접시 안테나와 마찬가지로 캐비티의 타원형 구조는 캐비티의 나머지 절반의 평평한 표면 중앙에 전자기장을 집중시킵니다(이미지 참조).
팀이 공동을 준비한 후 "가장 큰 과제는 공동의 광자 수명을 줄이지 않고 초전도 트랜스몬 큐비트를 공동에 통합하는 것이었습니다"라고 Rosenblum은 말했습니다. "이것은 우리를 양자 시스템에서 한쪽의 제어 가능성과 다른 쪽의 격리 사이의 악명 높은 균형 작업으로 되돌립니다."
연구진은 타원형 공동 내부에 약 1mm의 트랜스몬 칩만 배치하고 나머지는 도파관 내부에 수용함으로써 이러한 균형을 달성했습니다. 이 구성은 칩으로 인한 손실을 최소화합니다. 그러나 칩에 대한 공동의 제한된 노출은 공동-트랜스몬 상호작용을 약화시키므로 연구원들은 공동의 큐비트 상태를 인코딩하기 위해 강한 마이크로파 펄스를 적용하여 이를 보상했습니다.
양자 메모리 및 양자 오류 수정을 위한 공동 활용
이 혁신적인 공동 설계 덕분에 연구원들은 25ms의 단일 광자 수명과 34ms의 일관성 시간을 달성했습니다. 이는 약 2ms의 일관성 시간을 가졌던 이전의 최첨단 캐비티에 비해 상당한 개선입니다.
Rosenblum과 동료들은 또한 큐비트의 정보가 공동을 차지하는 여러 광자(소위 슈뢰딩거 고양이 상태)에 중복 저장되는 보존 양자 오류 수정으로 알려진 오류 수정 방법을 시연했습니다. 이는 몇 개가 아닌 많은 공동 광자에 저장하여 취약한 큐비트 상태를 보존합니다. 단점은 저장된 광자의 수가 증가함에 따라 광자 손실률도 증가한다는 것입니다. 이러한 제약에도 불구하고 Weizmann 팀은 1024 광자 크기의 슈뢰딩거 고양이 상태를 달성했습니다. 이는 평균 256개의 광자 수에 해당하며, 이는 이전 시연보다 10배 더 많은 것입니다. 이는 보존 양자 오류 정정 성능을 향상시킬 수 있는 놀라운 발전입니다.
Cat 큐비트는 새로운 수준의 안정성에 도달했습니다.
게이트 작동에 필요한 시간보다 4배 더 긴 광자 수명을 갖춘 이 획기적인 기술은 정보가 손실되기 전에 큐비트를 제어할 수 있는 충분한 시간을 제공합니다. Rosenblum은 앞으로 팀의 목표는 전례 없는 충실도 또는 성공 확률로 이러한 공동에 대한 양자 작업을 실현하는 것이라고 말했습니다. 특히 그는 연구가 발표된 후 다음과 같이 언급했습니다. PRX 양자, 팀은 단일 광자 수명을 60ms로 두 배 이상 늘려 추가 발전에 대한 상당한 잠재력을 나타냅니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
