Conditional-squeezing gate in superconducting circuits

Auf der Suche nach dem Bau eines Quantencomputers stehen Wissenschaftler vor einer grundlegenden Entscheidung: wie sie Informationen speichern sollen. Der gängigste Ansatz behandelt Daten wie eine Kette winziger Schalter, von denen jeder in einer von zwei Positionen arretiert ist, die eine Null oder eine Eins repräsentiert. Diese Methode funktioniert gut, erfordert jedoch viele physische Schalter, um ein einzelnes Stück Information vor Fehlern zu schützen. Ein alternativer Weg blickt auf die kontinuierliche Natur von Licht- und Schallwellen, bei denen Informationen in der Form und Phase einer Welle kodiert sind, die in einer unendlichen Anzahl von Zuständen existieren kann. Dieser kontinuierliche Ansatz bietet eine Möglichkeit, mehr Daten in ein einziges System zu packen, ist aber notorisch schwer zu kontrollieren. Die Herausforderung besteht darin, diese Wellen mit extremer Präzision zu formen, ohne das Rauschen einzuführen, das die Quanteninformation zerstört.

Forscher in Argentinien haben nun einen neuen Weg demonstriert, diese Quantenwellen mit hoher Präzision zu formen, was einen vielversprechenden Schritt hin zu einem robusteren Quantenspeicher darstellt. Sie konzentrierten sich auf eine spezielle Art von Welle, die als „gequetschter Zustand“ (squeezed state) bezeichnet wird, bei dem die Unsicherheit der Welle in eine Richtung komprimiert und in eine andere Richtung expandiert wird, ganz ähnlich wie beim Zusammendrücken eines Luftballons. Das Ziel war es, ein Gerät zu entwickeln, das diese Welle in eine Richtung quetscht, die durch den Zustand eines separaten Quantenbits, oder Qubits, bestimmt wird. Dieses bedingte Handeln ist essenziell für den Aufbau komplexer Quantencodes, die in der Lage sind, ihre eigenen Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Jedoch führen die physikalischen Gesetze, die diese Schaltkreise steuern, subtile, unerwünschte Kräuselungen ein, die die Welle verzerren und die Operation gefährden. Das Team entwickelte eine clevere Technik, um diese Krüselungen zu eliminieren, wodurch sie ein nahezu perfektes Squeezing-Gate (Quetsch-Gatter) erschaffen konnten. Ihre Simulationen zeigen, dass diese Methode Quanteninformationen mit einer Fidelität (Treue) von über 99 Prozent kodieren kann – ein Genauigkeitsniveau, das für praktisches Quantencomputing erforderlich ist.

Das Experiment findet in einem supraleitenden Schaltkreis statt, einer winzigen elektronischen Schleife aus Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten, wenn sie auf nahe am absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Das Herzstück dieses Aufbaus ist ein Resonator, eine Kammer, die elektromagnetische Wellen einfängt, und ein Qubit, ein mikroskopischer Schalter, der sich in einem Null- oder Eins-Zustand befinden kann. Die beiden sind so miteinander gekoppelt, dass der Zustand des Qubits die natürliche Frequenz des Resonators verändert. Um die Welle im Inneren des Resonators zu quetschen, wenden die Forscher ein Magnetfeld an, das mit einer spezifischen Rate oszilliert. Durch die gleichzeitige Verwendung zweier verschiedener Oszillationsfrequenzen können sie den Resonator in einen Zustand versetzen, in dem die Welle gequetscht wird. Entscheidend ist, dass das Qubit die Frequenz des Resonators verändert, sodass das Quetschen in eine Richtung erfolgt, wenn das Qubit Null ist, und in eine senkrechte Richtung, wenn das Qubit Eins ist. Dies erzeugt ein bedingtes Gatter, einen fundamentalen Baustein der Quantenlogik.

Das Problem ist, dass die Physik des Schaltkreises nicht perfekt rein ist. Während das Magnetfeld das System antreibt, führt es langsame, driftende Terme ein, die die Welle zum Wackeln bringen und unerwünschte Phasenverschiebungen akkumulieren lassen. Diese Verzerrungen wirken wie eine leichte Fehljustierung, die dazu führt, dass die gequetschte Welle in die falsche Richtung zeigt oder eine zufällige Phase gewinnt, die die Information zerrüttet. In früheren Versuchen, ähnliche Gatter zu bauen, waren diese Fehler schwer zu korrigieren, was die Genauigkeit der Operation einschränkte. Die Forscher erkannten, dass die spezifische Art und Weise, wie sie das System mit zwei Frequenzen antrieben, eine verborgene Symmetrie erzeugte. Sie fanden heraus, dass, wenn sie den Zeitfluss umkehrten und die Rollen der beiden treibenden Frequenzen vertauschten, sich die unerwünschten Verzerrungen gegenseitig aufheben würden.

Um diese Symmetrie auszunutzen, entwarf das Team ein vierstufiges Protokoll. Zuerest ließen sie das System für eine kurze Zeit evolvieren, sodass das Quetschen beginnt und die Verzerrungen anfangen, sich aufzubauen. Dann brachten sie einen schnellen Impuls an, um das Qubit von Null auf Eins oder umgekehrt zu kippen, während sie gleichzeitig die Phasen der beiden treibenden Frequenzen vertauschten. Diese Aktion kehrt die Richtung der Zeit für die Verzerrungen effektiv um. Sie ließen das System für eine gleiche Zeitspanne in diesem umgekehrten Zustand evolvieren, damit die Fehler sich selbst ungeschehen machen. Schließlich kippten sie das Qubit zurück in seinen ursprünglichen Zustand. Das Ergebnis ist ein Prozess, bei dem sich der gewünschte Squeezing-Effekt aufsummiert, während die unerwünschten Fehler vollständig ausgelöscht werden.

Das Team testete diese Methode mittels detaillierter Computersimulationen, die das Verhalten des Schaltkreises mit hoher Präzision modellierten. Sie simulierten die Kodierung eines beliebigen Qubit-Zustands in ein komplexes Muster aus gequetschten Wellen, ein Prozess, der als Kodierungsalgorithmus bekannt ist. Oh/> Ohne die Korrekturtechnik verursachten die Fehler durch die driftenden Terme, dass die Fidelität der kodierten Information signifikant sank, wobei die Abweichungen bis zu 0,3 Prozent erreichten. Dies mag klein erscheinen, aber in der Welt des Quantencomputings akkumulieren sich solche Fehler schnell und zerstören die Berechnung. Als sie die Refokussierungstechnik anwandten, sank die Abweichung auf nahezu Null, wobei die Fehler nur wenige Teile in zehn Millionen maßen. Die Simulationen zeigten, dass das Gatter eine durchschnittliche Fidelität von über 99 Prozent für jeden Eingangszustand erreichen kann, vorausgesetzt, die physikalischen Komponenten sind von hoher Qualität.

Die Forscher berücksichtigten auch die realen Imperfektionen, die in einem physischen Gerät existieren würden, wie etwa den Energieverlust aus dem Schaltkreis und das nichtlineare Verhalten der supraleitenden Materialien. Selbst wenn diese Faktoren einbezogen wurden und unter Annahme optimistischer, aber realistischer Werte dafür, wie lange die Quantenzustände überleben können, bevor sie zerfallen, behielt das Gatter eine Fidelität von über 99 Prozent bei. Das Team weitete seine Arbeit weiter aus, um zu zeigen, dass diese Methode gleichzeitig auf zwei Resonatoren angewendet werden kann, wodurch verschränkte Zustände entstehen, die noch leistungsfähiger für die Verarbeitung von Quanteninformationen sind. In diesem Zwei-Modi-Szenario erreichte das Gatter sogar höhere Fidelitäten in kürzerer Zeit, dank der starken Korrelationen zwischen den beiden Wellen.

Diese Arbeit bietet einen klaren Pfad zum Bau von High-Fidelity-Quantengattern, die kontinuierliche Variablen mit der für die Fehlerkorrektur erforderlichen Präzision manipulieren können. Durch den Einsatz eines einfachen Timing-Tricks, um das unvermeidliche Rauschen der physischen Welt zu eliminieren, haben die Forscher gezeigt, dass es möglich ist, ein Gatter zu erschaffen, das nahezu ununterscheidbar von der idealen theoretischen Version ist. Die Fähigkeit, Informationen in diese speziellen gequetschten Zustände zu kodieren, öffnet die Tür zu neuen Arten von Quantencodes, die Fehler einfach durch die Überprüfung der Parität der Welle erkennen können. Obwohl die hier vorgestellten Ergebnisse auf Simulationen basieren, bieten sie einen konkreten Bauplan für Experimentalisten, der nahelegt, dass die nächste Generation von Quantencomputern auf diese kontinuierlichen, wellenbasierten Systeme setzen könnte, um Informationen mit beispielloser Zuverlässigkeit zu speichern und zu verarbeiten.