Kvantedatamaskiner kan overgå konvensjonell databehandling i viktige oppgaver, men de er utsatt for feil som til slutt fører til tap av kvanteinformasjon, noe som begrenser dagens kvanteenheter. Derfor, for å oppnå storskala kvanteinformasjonsprosessorer, må forskere utvikle og implementere strategier for å korrigere kvantefeil.

Forskere ved det Paris-baserte kvantedatafirmaet Alice og Bob, sammen med kolleger ved Frankrikes ENS–PSL og ENS de Lyon, har nå tatt betydelige steg mot en løsning ved å øke stabiliteten og kontrollen av s.k. katt qubits. Disse kvantebitene er oppkalt etter Erwin Schrödingers berømte tankeeksperiment, og bruker koherente tilstander til en kvanteresonator som deres logiske tilstander. Cat qubits er lovende for kvantefeilkorreksjon fordi de er konstruert fra sammenhengende tilstander, som gjør dem i seg selv robuste mot visse typer feil fra miljøet.

En ny måleprotokoll

Kvantebiter lider av to typer feil: fasevendinger og bitflipper. I kvanteberegning er en bitflip en feil som endrer tilstanden til en qubit fra |0⟩ til |1⟩ eller omvendt, analogt med å snu en klassisk bit fra 0 til 1. En fasevending er derimot en feil som endrer den relative fasen mellom |0⟩ og |1⟩ komponentene til en qubits superposisjonstilstand. Cat qubits kan stabiliseres mot bit-flip-feil ved å koble qubiten til et miljø som fortrinnsvis utveksler par av fotoner med systemet. Dette motvirker autonomt effekten av noen feil som genererer bit-flips og sikrer at kvantetilstanden forblir innenfor det ønskede feilkorrigerte underrommet. Utfordringen med kvantefeilkorreksjon handler imidlertid ikke bare om å stabilisere qubits. Det handler også om å kontrollere dem uten å bryte mekanismene som holder dem stabile.

In den første av et par studier lagt ut på arXiv preprint-server, og ennå ikke fagfellevurdert, fant forskere ved Alice & Bob, ENS-PSL og ENS de Lyon en måte å øke bit-flip-tiden til mer enn 10 sekunder – fire størrelsesordener lengre enn tidligere cat-qubit-implementeringer – mens du fortsatt kontrollerer katten qubit. De oppnådde dette ved å introdusere en utlesningsprotokoll som ikke kompromitterer bit-flip-beskyttelsen i deres cat qubit, som består av en kvantesuperposisjon av to klassiske kvantetilstander fanget i en superledende kvanteresonator på en brikke. Det er avgjørende at det nye måleskjemaet de utviklet for å lese ut og kontrollere disse qubit-tilstandene ikke er avhengige av ytterligere fysiske kontrollelementer, som tidligere begrenset de oppnåelige bit-flip-tidene.

Tidligere eksperimentdesign brukte en superledende transmon – et kvanteelement på to nivåer – for å kontrollere og lese ut tilstanden til kattekvbitten. Her utviklet forskerne et nytt avlesnings- og kontrollskjema som bruker den samme hjelperesonatoren som gir to-foton-stabiliseringsmekanismen for katte-qubiten. Som en del av dette opplegget implementerte de en såkalt holonomisk port som transformerer pariteten til kvantetilstanden til antall fotoner i resonatoren. Fotonnummerpariteten er en karakteristisk egenskap for cat qubit: en lik superposisjon av de to koherente tilstandene inneholder bare superposisjoner av partall foton tall, mens den samme superposisjonen, men med et minustegn, bare inneholder superposisjoner av odde foton tall. Pariteten gir derfor informasjon om hvilken tilstand kvantesystemet er i.

Redesign av stabiliseringen av katte-qubits

Alice & Bob-teamet forberedte og avbildet kvantesuperposisjonstilstander samtidig som de kontrollerte fasen til disse superposisjonene og opprettholdt en bit-flip-tid på over 10 sekunder og en fase-flip-tid lenger enn 490 ns. Fullstendig realisering av en storskala feilkorrigert kvantedatamaskin basert på cat-qubits vil imidlertid kreve ikke bare god kontroll og rask avlesning, men også et middel for å sikre at cat-qubit-en forblir stabil lenge nok til å utføre beregninger. Forskere fra Alice & Bob og ENS de Lyon tok for seg denne viktige og utfordrende oppgaven i andre studie.

For å realisere en stabilisert cat qubit, kan systemet drives av en to-foton-prosess som injiserer par av fotoner mens de sprer bare to fotoner på en gang. Dette gjøres vanligvis ved å koble cat qubit til en hjelperesonator og pumpe et element kalt en asymmetrisk-gjenget-SQUID (ATS) med nøyaktig innstilte mikrobølgepulser. Denne tilnærmingen har imidlertid betydelige ulemper, som varmeoppbygging, aktivering av uønskede prosesser og nødvendigheten av voluminøs mikrobølgeelektronikk.

For å dempe disse problemene redesignet forskerne to-foton-spredningsmekanismen slik at den ikke krever en slik ekstra pumpe. I stedet for en ATS, implementerte de cat qubit i en superledende oscillatormodus koblet til en tapsbasert hjelpemodus via et ikke-lineært element bestående av flere Josephson-kryss. Josephson-elementet fungerer som en "mikser" som gjør det mulig å nøyaktig matche energien til to cat qubit-fotoner med energien til ett foton i hjelperesonatoren. Som et resultat, i denne såkalte autoparametriske prosessen, blir par av fotoner i cat qubit-resonatoren transformert til et enkelt foton i buffermodus uten behov for noen ekstra mikrobølgepumpe.

Ved å designe en superledende krets med en symmetrisk struktur, klarte teamet å koble en høykvalitetsresonator med en lavkvalitetsresonator gjennom det samme Josephson-elementet. De økte dermed to-foton-spredningshastigheten med en faktor på 10 sammenlignet med tidligere resultater, med en bit-flip-tid som nærmet seg ett sekund – i dette tilfellet begrenset av transmonen. En høy to-foton-spredningshastighet er nødvendig for rask qubit-manipulasjon og korte feilkorrigeringssykluser. Disse er avgjørende for å korrigere de gjenværende fase-flip-feilene i en repetisjonskode av cat-qubits.

Fremtidige applikasjoner med cat qubits

Gerhard Kirchmair, en fysiker ved Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck, Østerrike, som ikke var involvert i noen av studiene, sier at begge verkene beskriver viktige skritt mot å realisere en fullstendig feilkorrigert qubit. "Dette er de neste trinnene mot fullverdig feilretting," sier Kirchmair. "De viser tydelig at det er mulig å oppnå eksponentiell beskyttelse mot bitflip i disse systemene, noe som viser at denne tilnærmingen er levedyktig for å realisere full kvantefeilkorreksjon."

Forskerne erkjenner at det gjenstår betydelige hindringer. Fordi nøyaktigheten av avlesningen ved hjelp av den holonomiske portprotokollen var ganske begrenset, ønsker de å finne måter å forbedre den på. Å demonstrere porter som involverer flere katte-qubits og sjekke om den iboende bit-flip-beskyttelsen forblir, vil være et annet viktig skritt. Videre, med det nye autoparametriske enhetsoppsettet for å utveksle fotonerpar, forventer Alice & Bob-grunnlegger Raphaël Lescanne å kunne stabilisere en katte-qubit ved å bruke fire forskjellige sammenhengende tilstander i stedet for bare to. "Vårt mål er å bruke den enestående ikke-lineære koblingsstyrken for å stabilisere en fire-komponent cat-qubit, som vil tilby in situ fase-flip-feilbeskyttelse sammen med bit-flip-feilbeskyttelse, sier Lescanne.

Kirchmair mener at disse resultatene baner vei for mer forseggjorte feilkorrigeringsskjemaer som er avhengige av disse sterkt støyforstyrrede qubitene, hvor bit-flip-hastigheten er mye lavere enn gjenværende fase-flip-rate. "De neste trinnene vil være å skalere dette systemet til også å korrigere for fasevendinger og dermed realisere en fullstendig feilkorrigert qubit," forteller Kirchmair Fysikkens verden. "Man kunne til og med tenke seg å kombinere begge tilnærmingene i ett system for å få det beste ut av begge resultatene og forbedre bitflipptiden ytterligere."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/