Quantencomputer könnten herkömmliche Computer bei wesentlichen Aufgaben übertreffen, sind jedoch anfällig für Fehler, die letztendlich zum Verlust von Quanteninformationen führen und die Möglichkeiten heutiger Quantengeräte einschränken. Um Quanteninformationsprozessoren im großen Maßstab zu entwickeln, müssen Wissenschaftler daher Strategien zur Korrektur von Quantenfehlern entwickeln und implementieren.
Forscher des in Paris ansässigen Quantencomputerunternehmens Alice & BobGemeinsam mit Kollegen der französischen ENS-PSL und der ENS de Lyon haben sie nun erhebliche Fortschritte auf dem Weg zu einer Lösung gemacht, indem sie die Stabilität und Kontrolle sogenannter Systeme verbessert haben Katzen-Qubits. Benannt nach Erwin Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment, nutzen diese Quantenbits als logische Zustände kohärente Zustände eines Quantenresonators. Katzen-Qubits sind vielversprechend für die Quantenfehlerkorrektur, da sie aus kohärenten Zuständen aufgebaut sind, die sie intrinsisch robust gegenüber bestimmten Arten von Fehlern aus der Umgebung machen.
Ein neues Messprotokoll
Quantenbits unterliegen zwei Arten von Fehlern: Phasenumdrehungen und Bitumdrehungen. Im Quantencomputing ist ein Bit-Flip ein Fehler, der den Zustand eines Qubits von |0⟩ auf |1⟩ oder umgekehrt ändert, analog zum Umdrehen eines klassischen Bits von 0 auf 1. Ein Phasen-Flip hingegen ist es ein Fehler, der die relative Phase zwischen den |0⟩- und |1⟩-Komponenten des Überlagerungszustands eines Qubits verändert. Cat-Qubits können gegen Bit-Flip-Fehler stabilisiert werden, indem das Qubit an eine Umgebung gekoppelt wird, die bevorzugt Photonenpaare mit dem System austauscht. Dies wirkt autonom den Auswirkungen einiger Fehler entgegen, die Bit-Flips erzeugen, und stellt sicher, dass der Quantenzustand innerhalb des gewünschten fehlerkorrigierten Unterraums bleibt. Die Herausforderung der Quantenfehlerkorrektur besteht jedoch nicht nur in der Stabilisierung von Qubits. Es geht auch darum, sie zu kontrollieren, ohne die Mechanismen zu zerstören, die sie stabil halten.
In Der Erste eines Paares von Studien, die auf der veröffentlicht wurden arXiv Forscher von Alice & Bob, ENS-PSL und ENS de Lyon haben auf einem Preprint-Server eine Möglichkeit gefunden, die Bit-Flip-Zeit auf mehr als 10 Sekunden zu erhöhen – vier Größenordnungen länger als bei früheren Cat-Qubit-Implementierungen – und das Katzen-Qubit weiterhin vollständig kontrollieren. Dies erreichten sie durch die Einführung eines Ausleseprotokolls, das den Bit-Flip-Schutz in ihrem Katzen-Qubit nicht beeinträchtigt, das aus einer Quantenüberlagerung zweier klassischer Quantenzustände besteht, die in einem supraleitenden Quantenresonator auf einem Chip gefangen sind. Entscheidend ist, dass das neue Messschema, das sie zum Auslesen und Steuern dieser Qubit-Zustände entwickelt haben, nicht auf zusätzliche physikalische Kontrollelemente angewiesen ist, die zuvor die erreichbaren Bit-Flip-Zeiten begrenzten.
Frühere Experimentdesigns verwendeten ein supraleitendes Transmon – ein zweistufiges Quantenelement –, um den Zustand des Katzen-Qubits zu steuern und auszulesen. Hier entwickelten die Forscher ein neues Auslese- und Steuerungsschema, das denselben Hilfsresonator verwendet, der den Zwei-Photonen-Stabilisierungsmechanismus für das Katzen-Qubit bereitstellt. Als Teil dieses Schemas implementierten sie ein sogenanntes holonomisches Gatter, das die Parität des Quantenzustands in die Anzahl der Photonen im Resonator umwandelt. Die Photonenzahlparität ist eine charakteristische Eigenschaft des Katzen-Qubits: Eine gleiche Überlagerung der beiden kohärenten Zustände enthält nur Überlagerungen gerader Photonenzahlen, während dieselbe Überlagerung, jedoch mit einem Minuszeichen, nur Überlagerungen ungerader Photonenzahlen enthält. Die Parität gibt also Aufschluss darüber, in welchem Zustand sich das Quantensystem befindet.
Neugestaltung der Stabilisierung von Katzen-Qubits
Das Alice & Bob-Team hat Quantenüberlagerungszustände vorbereitet und abgebildet, während es gleichzeitig die Phase dieser Überlagerungen kontrolliert und eine Bit-Flip-Zeit von über 10 Sekunden und eine Phasen-Flip-Zeit von mehr als 490 ns aufrechterhält. Die vollständige Realisierung eines groß angelegten fehlerkorrigierten Quantencomputers auf Basis von Katzen-Qubits erfordert jedoch nicht nur eine gute Steuerung und schnelle Auslesung, sondern auch ein Mittel, um sicherzustellen, dass das Katzen-Qubit lange genug stabil bleibt, um Berechnungen durchzuführen. Forscher von Alice & Bob und ENS de Lyon befassten sich mit dieser wichtigen und herausfordernden Aufgabe im zweite Studie.
Um ein stabilisiertes Katzen-Qubit zu realisieren, kann das System durch einen Zwei-Photonen-Prozess angetrieben werden, der Photonenpaare injiziert und gleichzeitig nur zwei Photonen dissipiert. Dies geschieht normalerweise durch die Kopplung des Katzen-Qubits an einen Hilfsresonator und das Pumpen eines Elements namens Asymmetrically-Threaded-SQUID (ATS) mit präzise abgestimmten Mikrowellenimpulsen. Dieser Ansatz bringt jedoch erhebliche Nachteile mit sich, wie z. B. Wärmestau, Aktivierung unerwünschter Prozesse und die Notwendigkeit einer sperrigen Mikrowellenelektronik.
Um diese Probleme zu mildern, haben die Forscher den Zwei-Photonen-Dissipationsmechanismus so umgestaltet, dass eine solche zusätzliche Pumpe nicht erforderlich ist. Anstelle eines ATS implementierten sie das Katzen-Qubit in einem supraleitenden Oszillatormodus, der über ein nichtlineares Element, das aus mehreren Josephson-Übergängen besteht, an einen verlustbehafteten Hilfsmodus gekoppelt ist. Das Josephson-Element dient als „Mischer“, der es ermöglicht, die Energie zweier Cat-Qubit-Photonen exakt an die eines Photons im Hilfsresonator anzupassen. Dadurch werden bei diesem sogenannten autoparametrischen Prozess Photonenpaare im Cat-Qubit-Resonator in ein einzelnes Photon des Puffermodus umgewandelt, ohne dass eine zusätzliche Mikrowellenpumpe erforderlich ist.
Durch die Entwicklung einer supraleitenden Schaltung mit symmetrischer Struktur konnte das Team über dasselbe Josephson-Element einen Resonator hoher Qualität mit einem Resonator niedriger Qualität koppeln. Dadurch erhöhten sie die Zwei-Photonen-Dissipationsrate im Vergleich zu früheren Ergebnissen um den Faktor 10, wobei die Bit-Flip-Zeit nahezu eine Sekunde betrug – in diesem Fall begrenzt durch das Transmon. Für eine schnelle Qubit-Manipulation und kurze Fehlerkorrekturzyklen ist eine hohe Zwei-Photonen-Dissipationsrate erforderlich. Diese sind entscheidend für die Korrektur der verbleibenden Phasenumkehrfehler in einem Wiederholungscode von Katzen-Qubits.
Zukünftige Anwendungen mit Katzen-Qubits
Gerhard Kirchmair, ein Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck, Österreich, der an keiner der beiden Studien beteiligt war, sagt, dass beide Arbeiten wichtige Schritte zur Realisierung eines vollständig fehlerkorrigierten Qubits beschreiben. „Das sind die nächsten Schritte hin zu einer umfassenden Fehlerkorrektur“, sagt Kirchmair. „Sie zeigen deutlich, dass es möglich ist, in diesen Systemen einen exponentiellen Schutz gegen Bit-Flips zu erreichen, was zeigt, dass dieser Ansatz zur Realisierung einer vollständigen Quantenfehlerkorrektur geeignet ist.“
Die Forscher erkennen an, dass weiterhin erhebliche Hindernisse bestehen. Da die Genauigkeit der Auslesung mit dem Holonom-Gate-Protokoll eher begrenzt war, wollen sie Wege finden, sie zu verbessern. Ein weiterer wichtiger Schritt wird die Demonstration von Gattern mit mehreren Cat-Qubits und die Prüfung, ob der inhärente Bit-Flip-Schutz erhalten bleibt. Darüber hinaus geht Raphaël Lescanne, Mitbegründer von Alice & Bob, mit dem neuen autoparametrischen Geräteaufbau zum Austausch von Photonenpaaren davon aus, dass er ein Katzen-Qubit mithilfe von vier verschiedenen kohärenten Zuständen statt nur zwei stabilisieren kann. „Unser Ziel ist es, die beispiellose nichtlineare Kopplungsstärke zu nutzen, um ein aus vier Komponenten bestehendes Cat-Qubit zu stabilisieren in situ Phasen-Flip-Fehlerschutz zusammen mit Bit-Flip-Fehlerschutz“, sagt Lescanne.
Warum Alice und Bob Katzen-Qubits herstellen: IOP fordert Maßnahmen zum Netto-Null-Ziel
Kirchmair glaubt, dass diese Ergebnisse den Weg für ausgefeiltere Fehlerkorrekturschemata ebnen, die auf diesen stark rauschverzerrten Qubits basieren, bei denen die Bit-Flip-Rate viel niedriger ist als die verbleibende Phasen-Flip-Rate. „Die nächsten Schritte werden darin bestehen, dieses System so zu skalieren, dass es auch Phasenumdrehungen korrigiert und so ein vollständig fehlerkorrigiertes Qubit entsteht“, erklärt Kirchmair Physik-Welt. „Man könnte sich sogar vorstellen, beide Ansätze in einem System zu kombinieren, um das Beste aus beiden Ergebnissen herauszuholen und die Bit-Flip-Zeiten noch weiter zu verbessern.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/
