In de loop van de geschiedenis van quantum computing is de coherentietijd van supergeleidende qubits – dat wil zeggen de tijd waarin ze hun kwantuminformatie behouden – drastisch verbeterd. Een belangrijke verbetering komt voort uit het plaatsen van supergeleidende qubits in driedimensionale microgolfresonatorholtes, die de toestand van de qubit behouden door deze te coderen in fotonen die in de holte zijn opgeslagen.
In een recente studie hebben onderzoekers van het Israëlische Weizmann Institute of Science de grenzen van deze methode verlegd door een nieuwe driedimensionale holte-qubit-opstelling te demonstreren met een coherentietijd van één foton van 34 milliseconden (ms). Een lange coherentietijd is de sleutel tot het realiseren van qubit-bewerkingen met weinig fouten (waardoor de benodigde hardware voor fouttolerantie wordt verminderd), en de nieuwe coherentietijd verbrijzelt het vorige record met meer dan een orde van grootte.
Qubits zijn zeer gevoelig voor hun omgeving en verliezen gemakkelijk informatie door ruis. Om qubit-toestanden langer te behouden, wendden onderzoekers zich tot microgolfresonatorholtes als een vorm van opslagapparaat. Zoals hun naam al aangeeft, zijn deze holtes driedimensionale structuren die een holle ruimte omvatten die is ontworpen om plaats te bieden aan een supergeleidende transmon-qubit-chip en de microgolffotonen die ermee interageren. Via een coderingsproces waarbij specifieke microgolfpulsen worden toegepast, wordt de qubit-status overgebracht naar de holtestatus en daar opgeslagen. Zodra de gewenste periode is verstreken, wordt de status opgehaald door deze terug in de transmon te coderen. De holte speelt dus een cruciale rol bij het controleren en meten van de qubit die erin wordt geplaatst.
Voor praktische toepassingen in de verwerking van kwantuminformatie moet de holte in staat zijn de kwantumtoestand gedurende langere perioden op te slaan. Dit bereiken is echter niet eenvoudig vanwege verschillende externe factoren. Omdat het de kleinste lichtdeeltjes zijn, zijn fotonen moeilijk te beperken en gaan ze gemakkelijk verloren. Verstoringen in de qubit-chip die in de holte is geplaatst, zijn belangrijke bronnen van fotondemping en decoherentie. De vorming van een ongewenste oxidelaag op het oppervlak van de holte verkort de levensduur van de fotonen verder.
Engineering van een nieuw holteontwerp
Geleid door Serge Rosenblum, Ofir Milul, Barkay Güttel en Uri Goldblatt, de Weizmann team overwon deze uitdagingen door een supergeleidende niobiumholte met laag verlies te ontwerpen die een langlevende single-photon qubit ondersteunt. Ze gebruikten zeer zuiver niobium om twee afzonderlijke delen van de holte te vervaardigen en lasten de delen later aan elkaar om te voorkomen dat fotonen naar buiten lekten. Ze verwijderden ook oxide- en oppervlakteverontreinigingen door de holte chemisch te polijsten.
De resulterende structuur lijkt een beetje op een open paraplu, met een half-elliptische geometrie die evolueert naar een smalle golfgeleider waar het handvat van de paraplu zou zitten. Net als een satellietschotelantenne, die een gebogen oppervlak heeft dat radiogolven naar het brandpunt reflecteert, concentreert de elliptische structuur van de holte het elektromagnetische veld in het midden van het vlakke oppervlak van de andere helft van de holte (zie afbeelding).
Toen het team de holte eenmaal had voorbereid, "was de grootste uitdaging het integreren van een supergeleidende transmonqubit in een holte zonder de levensduur van de fotonen in de holte te verkorten", zegt Rosenblum. “Dit brengt ons terug naar de beruchte evenwichtsoefening in kwantumsystemen tussen beheersbaarheid aan de ene kant en isolatie aan de andere kant.”
De onderzoekers hebben dit evenwicht bereikt door slechts ongeveer 1 millimeter van de transmon-chip in de elliptische holte te plaatsen, terwijl de rest in de golfgeleider is ondergebracht. Deze configuratie minimaliseert door chip veroorzaakte verliezen. De beperkte blootstelling van de holte aan de chip verzwakt echter de holte-transmon-interactie, dus compenseerden de onderzoekers dit door sterke microgolfpulsen toe te passen om de qubit-toestand in de holte te coderen.
Gebruikmaken van een holte voor kwantumgeheugen en kwantumfoutcorrectie
Dankzij dit innovatieve holteontwerp bereikten onderzoekers een levensduur van één foton van 25 ms en een coherentietijd van 34 ms. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de vorige state-of-the-art holte, die een coherentietijd had van ongeveer 2 ms.
Rosenblum en collega's demonstreerden ook een foutcorrectiemethode die bekend staat als bosonische kwantumfoutcorrectie, waarbij de informatie van de qubit redundant wordt opgeslagen in meerdere fotonen die de holte bezetten (de zogenaamde Schrödinger-kattoestanden). Hierdoor blijft de fragiele qubit-toestand behouden door deze op te slaan in veel holtefotonen, en niet slechts in een paar. Het nadeel is dat naarmate het aantal opgeslagen fotonen toeneemt, ook het fotonenverlies toeneemt. Ondanks deze beperking bereikte het Weizmann-team Schrodinger-kattoestanden met een grootte van 1024 fotonen. Dit komt overeen met een gemiddeld aantal van 256 fotonen, wat 10 keer groter is dan eerdere demonstraties – een opmerkelijke vooruitgang die de prestaties van bosonische kwantumfoutcorrectie zou kunnen verbeteren.
Cat qubits bereiken een nieuw niveau van stabiliteit
Met een levensduur van fotonen die vier ordes van grootte groter is dan de tijd die nodig is voor poortoperaties, biedt deze doorbraak voldoende tijd om de qubit te controleren voordat deze informatie verliest. Vooruitkijkend zegt Rosenblum dat het doel van het team is om kwantumoperaties op deze holtes uit te voeren met een ongekende betrouwbaarheid of waarschijnlijkheid van succes. Hij vermeldt met name dat nadat de studie was gepubliceerd in PRX-kwantumheeft het team de levensduur van één foton meer dan verdubbeld tot 60 ms, wat wijst op een aanzienlijk potentieel voor verdere vooruitgang.
- 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/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
