Ultracoherent superconducting cavity-based multiqudit platform with error-resilient control
Diese Arbeit demonstriert eine an einen Ancilla-Transmon gekoppelte Zwei-Moden-Supraleitende-Hochfrequenz-Resonator-Plattform, die eine ultrakohärente Speicherung (mit Photon-Lebensdauern von über 15 ms) sowie eine hochgradig fidelitätsreiche, fehlerresistente Steuerung erreicht, wodurch die Präparation hochdimensionaler Fock-Zustände und nahezu perfekter Verschränkung ermöglicht wird, um kavitätsbasierte Systeme über reine Speicheranwendungen hinaus in Richtung skalierbarer modularer Quantenverarbeitung voranzutreiben.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich die Welt des Quantencomputings als eine riesige, hochkarätige Bibliothek vor, in der Informationen nicht auf Papier, sondern in den zarten Schwingungen winziger, unsichtbarer Teilchen gespeichert sind. Jahrelang haben Wissenschaftler versucht, diese Bibliothek mit „Qubits“ aufzubauen, die wie winzige Lichtschalter funktionieren können, die entweder an oder aus sein können. Aber es gibt ein Problem: Diese Schalter sind unglaublich zerbrechlich. Ein kleiner Stoß, ein Flüstern von Hitze oder ein streuendes Magnetfeld können sie versehentlich umschalten und die Geschichte ruinieren, die sie zu erzählen versuchen. Um dies zu beheben, haben Forscher versucht, die Schalter langlebiger zu machen, aber es ist, als versuche man, eine Seifenblase am Platzen zu hindern, während man versucht, ein Meisterwerk auf ihr zu malen.
Es gibt jedoch eine andere Art, über diese Bibliothek nachzudenken. Anstatt nur On/Off-Schalter zu verwenden, stellen Sie sich vor, man verwendet Musikinstrumente, die viele verschiedene Töne gleichzeitig spielen können. In der Physik werden diese als „Qudits“ bezeichnet. Während ein Qubit wie eine Münze ist, die Kopf oder Zahl sein kann, ist ein Qudit wie eine Klaviertaste, die gedrückt werden kann, um einen tiefen Ton, einen hohen Ton oder irgendetwas dazwischen zu spielen. Dies ermöglicht es Ihnen, viel mehr Informationen in einen einzigen Punkt zu packen. Die Herausforderung bestand immer darin, dass diese „Instrumente“ schwer zu kontrollieren sind, ohne sie zu beschädigen. Wenn man versucht, einen Ton zu laut oder zu schnell zu spielen, könnte das Instrument zerbrechen. Die große Frage für die Wissenschaftler war: Können wir ein Musikinstrument bauen, das so perfekt ist, dass es einen Ton lange halten kann und dennoch einfach genug ist, um komplexe Lieder zu spielen, ohne zu zerbrechen?
Genau dieses Problem wollten ein Team von Forschern am Fermi National Accelerator Laboratory und der Northwestern University lösen. Sie bauten ein spezielles „Quanteninstrument“ unter Verwendung eines supraleitenden Hochfrequenz-Resonators (SRF-Cavity), was im Wesentlichen ein hohler, extrem sauberer Metallkasten ist, der Licht (in Form von Mikrowellen-Photonen) im Inneren einfängt. Denken Sie an diesen Kasten als an eine perfekt glatte, stille Bowlingbahn, auf der eine Kugel ewig rollen kann, ohne an Geschwindigkeit zu verlieren. Aber um irgendetwas Nützliches zu tun, müssen Sie in der Lage sein, die Kugel zu treffen und ihren Pfad zu ändern. Normalerweise sind die Werkzeuge, die verwendet werden, um die Kugel zu treffen (genannt „Kontrollschaltkreise“), so unordentlich, dass sie Rauschen einführen und dazu führen, dass die Kugel viel schneller aufhört zu rollen, als sie sollte.
Der Durchbruch des Teams lag im Design eines Systems, bei dem der „Schläger“ (ein kleiner Schaltkreis namens Transmon) so sanft mit der „Bowlingbahn“ (dem Resonator) verbunden ist, dass er den perfekten Lauf der Kugel nicht stört, aber dennoch stark genug ist, um sie zu leiten. Es gelang ihnen, ein einzelnes Photon (ein Lichtteilchen) in einem Modus für erstaunliche 20,6 Millisekunden und in einem anderen Modus für 15,6 Millisekunden am Leben zu erhalten. In der Welt der Quantenmechanik, in der Dinge normalerweise in Mikrosekunden verschwinden, ist das so, als würde man eine Seifenblase einen ganzen Nachmittag lang schweben lassen.
Aber die Kugel rollend zu halten, ist nur die halbe Miete; man muss auch ein Lied spielen können. Die Forscher entwickelten eine clevere „Sideband“-Technik, die wie ein spezifischer Rhythmus funktioniert, um die Kugel auf einer Leiter von Energieniveaus nach oben zu drücken. Sie wollten Zustände mit bis zu 20 Photonen erzeugen (wie das Stapeln von 20 Bällen in einer Reihe). Das Problem war, dass der „Schläger“-Schaltkreis bei jedem Stoß die Gefahr barg, einen Fehler zu machen, der die Kugel eine Sprosse nach unten rutschen lässt. Um dies zu beheben, erfanden sie ein „Sideband-Feedforward-Protokoll“. Stellen Sie sich einen Schiedsrichter vor, der jeden einzelnen Schritt der Kugel beobachtet. Wenn der Schiedsrichter sieht, dass die Kugel abrutscht, ruft er sofort eine Korrektur aus, um sie wieder nach oben zu drücken, bevor sie zu weit fällt. Wenn der Schiedsrichter ein größeres Problem sieht, kann er sogar entscheiden, diesen spezifischen Versuch zu ignorieren und es erneut zu versuchen.
Mit diesem Fehlerkontrollsystem gelang es dem Team, Zustände mit bis zu 20 Photonen mit einer Erfolgsrate (Fidelität) von über 95 % vorzubereiten. Sie schafften es auch, die beiden Modi ihres Resonators miteinander zu koppeln und so einen verschränkten Zustand zu erzeugen, in dem die beiden „Bowlingbahnen“ eine geheime Verbindung teilten. Als sie ihre Fehlerkorrektur- und Post-Selektions-Tricks anwandten, erreichten sie eine Verschränkungs-Fidelität von nahezu 99,9 %. Das bedeutet, dass sie Informationen mit fast perfekter Genauigkeit zwischen den beiden Modi austauschen konnten, begrenzt nur durch den natürlichen, unvermeidlichen Zerfall des Systems.
Die Arbeit schließt explizit die Idee aus, dass man die Kohärenz (die „lange Lebensdauer“ des Zustands) opfern muss, um eine gute Kontrolle zu erhalten. Sie zeigten, dass man durch schwache Kopplung und intelligente Fehlerkorrektur beides haben kann: sowohl Kohärenz als auch Kontrolle. Sie demonstrierten zudem, dass die Erwärmung des Kontrollschaltkreises zwar eine große Quelle von Rauschen war, diese aber erkannt und herausgefiltert werden konnte, anstatt ein unlösbares Problem zu sein. Die Ergebnisse sind keine Simulationen, sondern gemessene experimentelle Daten, die zeigen, dass hochdimensionale Quantenzustände mit hoher Präzision erzeugt und manipuliert werden können. Diese Arbeit deutet auf einen praktischen Weg hin, um Quantencomputer zu bauen, die diese „mehrnotigen“ Qudits verwenden, was sie potenziell kompakter und leistungsfähiger für die Simulation komplexer Chemie und Physik machen kann, während die empfindlichen Quanteninformationen vor dem Chaos der Außenwelt geschützt bleiben.
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