Kwantumcomputers zouden conventionele computers kunnen overtreffen in essentiële taken, maar ze zijn gevoelig voor fouten die uiteindelijk leiden tot het verlies van kwantuminformatie, waardoor de huidige kwantumapparaten worden beperkt. Om grootschalige kwantuminformatieprocessors te realiseren, moeten wetenschappers daarom strategieën ontwikkelen en implementeren voor het corrigeren van kwantumfouten.

Onderzoekers van het in Parijs gevestigde quantumcomputerbedrijf Alice & Bobhebben nu, samen met collega's van de Franse ENS-PSL en ENS de Lyon, aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van een oplossing door de stabiliteit en controle van zogenaamde kattenqubits. Deze kwantumbits, genoemd naar het beroemde gedachte-experiment van Erwin Schrödinger, gebruiken coherente toestanden van een kwantumresonator als hun logische toestanden. Cat-qubits zijn veelbelovend voor kwantumfoutcorrectie omdat ze zijn opgebouwd uit coherente toestanden, waardoor ze intrinsiek robuust zijn tegen bepaalde soorten fouten uit de omgeving.

Een nieuw meetprotocol

Kwantumbits hebben last van twee soorten fouten: fase-flips en bit-flips. In quantum computing is een bit-flip een fout die de toestand van een qubit verandert van |0⟩ naar |1⟩ of omgekeerd, analoog aan het omdraaien van een klassieke bit van 0 naar 1. Een fase-flip daarentegen is een fout die de relatieve fase tussen de |0⟩ en |1⟩ componenten van de superpositiestatus van een qubit verandert. Cat-qubits kunnen worden gestabiliseerd tegen bit-flip-fouten door de qubit te koppelen aan een omgeving die bij voorkeur fotonenparen met het systeem uitwisselt. Dit neutraliseert autonoom de effecten van sommige fouten die bit-flips genereren en zorgt ervoor dat de kwantumtoestand binnen de gewenste, voor fouten gecorrigeerde subruimte blijft. De uitdaging van kwantumfoutcorrectie gaat echter niet alleen over het stabiliseren van qubits. Het gaat ook om het beheersen ervan, zonder de mechanismen te doorbreken die ze stabiel houden.

In de eerste van een paar studies geplaatst op de arXiv preprint-server, en nog niet door vakgenoten beoordeeld, hebben onderzoekers van Alice & Bob, ENS-PSL en ENS de Lyon een manier gevonden om de bit-flip-tijd te verhogen tot meer dan 10 seconden – vier ordes van grootte langer dan eerdere cat-qubit-implementaties – terwijl je nog steeds volledige controle hebt over de catqubit. Ze bereikten dit door een uitleesprotocol te introduceren dat de bit-flip-bescherming in hun cat-qubit niet in gevaar brengt, dat bestaat uit een kwantumsuperpositie van twee klassieke kwantumtoestanden gevangen in een supergeleidende kwantumresonator op een chip. Cruciaal is dat het nieuwe meetschema dat ze hebben bedacht voor het uitlezen en controleren van deze qubit-toestanden niet afhankelijk is van aanvullende fysieke controle-elementen, die voorheen de haalbare bit-flip-tijden beperkten.

Eerdere experimentontwerpen maakten gebruik van een supergeleidende transmon – een kwantumelement met twee niveaus – om de toestand van de cat-qubit te controleren en uit te lezen. Hier bedachten de onderzoekers een nieuw uitlees- en controleschema dat dezelfde hulpresonator gebruikt die het twee-fotonstabilisatiemechanisme voor de cat-qubit levert. Als onderdeel van dit plan implementeerden ze een zogenaamde holonomische poort die de pariteit van de kwantumtoestand transformeert naar het aantal fotonen in de resonator. De fotongetalpariteit is een karakteristieke eigenschap van de catqubit: een gelijke superpositie van de twee coherente toestanden bevat alleen superposities van even fotongetallen, terwijl dezelfde superpositie maar met een minteken alleen superposities van oneven fotongetallen bevat. De pariteit geeft dus informatie over de staat waarin het kwantumsysteem zich bevindt.

Herontwerp van de stabilisatie van catqubits

Het Alice & Bob-team heeft kwantumsuperpositietoestanden voorbereid en in beeld gebracht, terwijl ze ook de fase van deze superposities controleerden en een bit-flip-tijd van meer dan 10 seconden en een fase-flip-tijd van meer dan 490 ns aanhielden. Het volledig realiseren van een grootschalige, foutgecorrigeerde kwantumcomputer op basis van cat-qubits zal echter niet alleen een goede besturing en snelle uitlezing vereisen, maar ook een manier om ervoor te zorgen dat de cat-qubit lang genoeg stabiel blijft om berekeningen uit te voeren. Onderzoekers van Alice & Bob en ENS de Lyon hebben deze belangrijke en uitdagende taak aangepakt in de tweede studie.

Om een ​​gestabiliseerde cat-qubit te realiseren, kan het systeem worden aangestuurd door een twee-fotonenproces dat paren fotonen injecteert terwijl slechts twee fotonen tegelijk worden gedissipeerd. Dit wordt meestal gedaan door de cat-qubit te koppelen aan een hulpresonator en een element te pompen dat een asymmetrische schroefdraad-SQUID (ATS) wordt genoemd, met nauwkeurig afgestemde microgolfpulsen. Deze aanpak brengt echter aanzienlijke nadelen met zich mee, zoals de opbouw van warmte, de activering van ongewenste processen en de noodzaak van omvangrijke microgolfelektronica.

Om deze problemen te verzachten, hebben de onderzoekers het dissipatiemechanisme van twee fotonen opnieuw ontworpen, zodat er niet zo'n extra pomp voor nodig is. In plaats van een ATS implementeerden ze de catqubit in een supergeleidende oscillatormodus gekoppeld aan een verliesgevende hulpmodus via een niet-lineair element bestaande uit meerdere Josephson-overgangen. Het Josephson-element dient als ‘mixer’ die het mogelijk maakt om de energie van twee catqubit-fotonen exact af te stemmen op die van één foton in de hulpresonator. Als gevolg hiervan worden in dit zogenaamde autoparametrische proces paren fotonen in de catqubit-resonator omgezet in een enkel foton van de buffermodus zonder dat er een extra microgolfpomp nodig is.

Door een supergeleidend circuit met een symmetrische structuur te ontwerpen, kon het team een ​​resonator van hoge kwaliteit koppelen aan een resonator van lage kwaliteit via hetzelfde Josephson-element. Ze verhoogden daardoor de dissipatiesnelheid van twee fotonen met een factor 10 vergeleken met eerdere resultaten, met een bit-flip-tijd van bijna een seconde – in dit geval beperkt door de transmon. Een hoge dissipatiesnelheid van twee fotonen is nodig voor snelle qubit-manipulatie en korte foutcorrectiecycli. Deze zijn cruciaal voor het corrigeren van de resterende fase-flip-fouten in een herhalingscode van cat-qubits.

Toekomstige toepassingen met catqubits

Gerhard Kirchmairzegt een natuurkundige aan het Institute of Quantum Optics and Quantum Information in Innsbruck, Oostenrijk, die bij geen van beide onderzoeken betrokken was, dat beide werken belangrijke stappen beschrijven op weg naar het realiseren van een volledig foutgecorrigeerde qubit. “Dit zijn de volgende stappen op weg naar volwaardige foutcorrectie”, zegt Kirchmair. “Ze laten duidelijk zien dat het mogelijk is om exponentiële bescherming tegen bitflips in deze systemen te bereiken, wat aantoont dat deze aanpak haalbaar is om volledige kwantumfoutcorrectie te realiseren.”

De onderzoekers erkennen dat er nog steeds aanzienlijke obstakels bestaan. Omdat de nauwkeurigheid van de uitlezing met behulp van het holonomische poortprotocol nogal beperkt was, willen ze manieren vinden om deze te verbeteren. Het demonstreren van poorten waarbij meerdere catqubits betrokken zijn en het controleren of de inherente bit-flip-beveiliging blijft bestaan, zal een andere belangrijke stap zijn. Bovendien verwacht Raphaël Lescanne, mede-oprichter van Alice & Bob, met de nieuwe autoparametrische apparaatopstelling om paren fotonen uit te wisselen, een cat-qubit te kunnen stabiliseren met behulp van vier verschillende coherente toestanden in plaats van slechts twee. “Ons doel is om de ongekende niet-lineaire koppelingssterkte te gebruiken om een ​​viercomponenten cat-qubit te stabiliseren, die dit zou bieden in situ fase-flip-foutbescherming samen met bit-flip-foutbescherming”, zegt Lescanne.

Kirchmair is van mening dat deze resultaten de weg vrijmaken voor uitgebreidere foutcorrectieschema's die vertrouwen op deze sterk door ruis beïnvloede qubits, waarbij de bit-flip-snelheid veel lager is dan de resterende fase-flip-snelheid. “De volgende stappen zullen het schalen van dit systeem zijn om ook te corrigeren voor fase-flips, waardoor een volledig foutgecorrigeerde qubit wordt gerealiseerd”, vertelt Kirchmair. Natuurkunde wereld. “Je zou je zelfs kunnen voorstellen dat je beide benaderingen in één systeem combineert om het beste uit beide resultaten te halen en de bit-flip-tijden nog verder te verbeteren.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/