Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

Der Bau eines Computers, der Probleme lösen kann, die jenseits der Reichweite heutiger Maschinen liegen, erfordert einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie wir Informationen speichern. In der Quantenwelt ist die grundlegende Dateneinheit zerbrechlich; sie wird durch das leiseste Flüstern von Wärme oder elektromagnetischem Rauschen leicht gestört, was dazu führt, dass die Berechnung zusammenbricht. Um eine zuverlässige Maschine zu bauen, müssen Wissenschaftler einen Weg finden, diese Informationen zu schützen, ohne dafür riesige Armeen an zusätzlichen Komponenten einzusetzen, die ständig kontrollieren und korrigieren müssen. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, Daten nicht in einem einzelnen Teilchen zu kodieren, sondern im kollektiven Verhalten von Lichtteilchen, oder Photonen, die in einem winzigen elektrischen Schaltkreis gefangen sind. Diese „Katzen-Qubits“ (Cat Qubits) sind nach einem berühmten Gedankenexperiment benannt, bei dem eine Katze gleichzeitig lebendig und tot ist; in diesem Kontext existiert das Qubit gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen. Die Genialität dieses Designs liegt darin, dass es von Natur aus gegen eine Art von Fehler resistent ist, den sogenannten Bit-Flip, bei dem der Zustand versehentlich von einem in den anderen umschlägt. Es bleibt jedoch anfällig für eine andere Art von Fehler, den Phasen-Flip, der die Beziehung zwischen den beiden Zuständen durcheinanderbringt. Die Herausforderung bestand bisher darin, den Schutz gegen den ersten Fehler zu verstärken, ohne den zweiten Fehler zu verschlimmern – ein Gleichgewicht, das schwer zu erreichen war.

Ein Team von Forschern bei Alice & Bob, das mit Partnern aus mehreren französischen Institutionen zusammenarbeitet, hat einen Weg gefunden, dieses Gleichgewicht signifikant zu ihren Gunsten zu verschieben. Sie nahmen das Standarddesign dieser lichtbasierten Qubits und wendeten eine spezifische Deformation auf die Form der Lichtzustände an, die sie verwenden. Stellen Sie sich die beiden Zustände eines Standard-Qubits als zwei unterschiedliche, runde Wahrscheinlichkeitswolken vor, die in einem mathematischen Raum schweben. Im neuen Design haben die Forscher diese Wolken zusammengedrückt und zu länglichen Formen gedehnt, die wie Halbmonde aussehen. Diese einfache geometrische Änderung, die durch das Hinzufügen eines spezifischen Signals zu ihrer bestehenden Ausrüstung erreicht wurde, ermöglichte es, die beiden Zustände so weit voneinander zu entfernen, dass es unglaublich schwer ist, sie miteinander zu verwechseln, während sie gleichzeitig genauso stabil gegenüber der anderen Art von Fehler blieben.

Die Ergebnisse dieses Experiments waren beeindruckend. Die Forscher maßen, wie lange es dauerte, bis das Qubit versehentlich seinen Zustand änderte. In einer Standardversion dieses un deformierten Qubits trat der Fehler etwa alle 138 Millisekunden auf. In ihrer neuen, „gequetschten Mondkatzen“-Version hielt das Qubit seinen Zustand 22 Sekunden lang, bevor ein ähnlicher Fehler auftrat. Dies stellt eine 160-fache Verbesserung der Stabilität dar. Entscheidend war, dass dieser massive Gewinn nicht auf Kosten einer erhöhten Anfälligkeit für die andere Art von Fehler ging; die Rate, mit der das Qubit seine Phase durcheinanderbrachte, blieb im Wesentlichen gleich und lag in beiden Fällen bei etwa 1,3 Mikrosekunden. Das bedeutet, dass es den Forschern gelungen ist, das Qubit gegen einen spezifischen Fehlermodus wesentlich robuster zu machen, ohne die Verteidigung gegen den anderen Typ zu schwächen.

Das Team testete auch, wie gut diese neuen Qubits bei der Arbeit performten, insbesondere indem sie ein Logikgatter ausführten – eine grundlegende Operation, bei der der Computer Informationen verarbeitet. Sie fanden heraus, dass die gequetschten Qubits diese Operationen nicht nur schneller und präziser ausführten, während sie ihren Zustand hielten, sondern auch im Leerlauf länger stabil blieben. Die Gatteroperationen waren schneller, und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern während der Berechnung sank signifikant. Die Forsler beobachteten, dass die neue Form der Lichtzustände es schwieriger machte, dass das System während dieser schnellen Bewegungen versehentlich aus seiner Sicherheitszone entweicht, was die Fehler weiter reduzierte. Diese Verbesserung war so ausgeprägt, dass die Gesamtwahrscheinlichkeit eines Bit-Flip-Fehlers während einer Gatteroperation im Vergleich zum Standarddesign um den Faktor 220 reduziert wurde.

Was diese Entdeckung besonders bedeutsam macht, ist, dass sie keine neue Maschine erforderte und auch das physische Layout des Schaltkreises nicht veränderte. Die Forscher verwendeten densっelben supraleitenden Chip und dieselben Basiskomponenten wie in früheren Experimenten. Sie fügten lediglich ein zweites Steuersignal hinzu, eine spezifische Pumpfrequenz, um den Quetschungseffekt zu erzeugen. Dies deutet darauf hin, dass der Weg zu leistungsfähigeren Quantencomputern nicht immer die Erfindung völlig neuer Hardware erfordert, sondern eher das Finden besserer Wege, die bereits im System vorhandene Information zu formen. Durch die sorgfältige Abstimmung der Form der Quantenzustände demonstrierte das Team, dass es möglich ist, die Grenzen des Fehlerschutzes weit über das bisher mit Standarddesigns Erreichbare hinaus zu verschieben.

Die Forscher merkten an, dass der Quetschprozess eine sehr geringfügige Erhöhung der Rate der anderen Art von Fehler mit sich brachte, dieser Verlust jedoch vernachlässigbar war im Vergleich zum enormen Gewinn an Stabilität gegen Bit-Flips. Sie beobachteten auch, dass die Verbesserung der Stabilität rapide anstieg, wenn sie die Anzahl der Photonen im System erhöhten, und einem Muster folgte, das viel steiler war als die theoretischen Grenzen für Standarddesigns ohne Quetschung. Dies deutet darauf hin, dass die Vorteile dieser Technik beim Hochskalieren dieser Systeme noch mächtiger werden könnten. Die Arbeit liefert eine klare, praktische Methode zur Verbesserung der Leistung von Quantenprozessoren und bringt das Ziel des fehlertoleranten Quantencomputings, bei dem Maschinen komplexe Algorithmen ohne ständige Korrektur ausführen können, näher in die Realität.