Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

Im Wettlauf um den Bau eines praktischen Quantencomputers stehen Wissenschaftler vor einem hartnäckigen Paradoxon. Um Berechnungen durchzuführen, müssen sie empfindliche Quantenbits, oder Qubits, mit extremer Präzision steuern. Doch der Akt der Steuerung selbst führt oft das Rauschen ein, das die von ihnen gehaltenen Informationen zerstört. Dieses Rauschen stammt oft aus der Umgebung in Form von niederfrequenten elektrischen Fluktuationen, einem Hintergrundrauschen, das in Festkörpermaterialien nahezu unmöglich zu eliminieren ist. Jahrelang haben Forscher versucht, ihre Qubits vor dieser Interferenz abzuschirmen, indem sie diese oft so entwarfen, dass sie weniger empfindlich gegenüber Ladung reagieren. Dieser Ansatz geht jedoch meist mit einem Preis einher: Er macht die Qubits langsamer steuerbar oder schwieriger miteinander koppelbar. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, die Quanteninformation vor diesem niederfrequenten Rauschen zu schützen, ohne die für komplexe Berechnungen erforderliche Geschwindigkeit und Konnektivität zu opfern.

Ein Team von Forschern der University of California, Berkeley, und kooperierenden Institutionen hat eine clevere Lösung gefunden, indem sie die Art und Weise änderten, wie sie das System antreiben. Anstatt zu versuchen, das Rauschen zu blockieren oder die Qubits vollständig immun zu machen, verwendeten sie einen starken, schnellen elektrischen Antrieb, um die Qubits effektiv an Ort und Stelle zu fixieren – eine Technik, die als Spin-Locking bekannt ist. Sie demonstrierten dies anhand eines speziellen Typs supraleitender Schaltkreise, eines sogenannten Kerr-Oszillators, der als Quantenbit fungiert. Durch das Anlegen eines Ladungsantriebs bei einer Frequenz knapp unter einem Gigahertz entdeckten sie eine einzigartige Eigenschaft: Der Schaltkreis wird gegenüber dem langsamen, niederfrequenten Rauschen, das normalerweise Fehler verursacht, nahezu blind, bleibt aber gleichzeitig hochgradig reaktionsfähig auf die schnellen Antriebssignale, die für Operationen benötigt werden. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, ihre Quantenbits in nur 82 Nanosekunden zurückzusetzen, wobei sie sie in einen Zustand kühlten, der weniger als 0,7 Prozent der unerwünschten Energie enthielt, die typischerweise in diesen Systemen verbleibt. Darüber hinaus erzeugten sie durch die Kodierung eines einzelnen logischen Bits über zwei dieser Oszillatoren ein Dual-Rail-Qubit, das von Natur aus zu einer bestimmten Art von Fehler neigt. Das bedeutet, dass es bei einem Fehler viel wahrscheinlicher ist, dass es sich um eine detektierbare Löschung (Erasure) handelt als um eine stille Korruption der Daten – ein Unterschied, der die Fehlerkorrektur erheblich erleichtert.

Der Kern dieses Durchbruchs liegt darin, wie die Frequenz des Antriebssignals mit dem Schaltkreis interagiert. Die Forscher fanden heraus, dass die Empfindlichkeit ihres Quantenoszillators gegenüber Ladungsrauschen nicht konstant bleibt; stattdessen wächst sie rapide an, wenn die Frequenz des Antriebs zunimmt. Speziell skaliert die Empfindlichkeit mit dem Quadrat sowohl der Frequenz als auch der Stärke des Antriebs. Diese Beziehung ist entscheidend, da das schädliche Rauschen in ihrer Umgebung einem Muster folgt, bei dem niedrige Frequenzen wesentlich stärker sind als hohe Frequenzen. Indem sie das System bei einer Frequenz nahe einem Gigahertz antrieben, brachten die Forscher das System in ein Regime, in dem es stark an ihre Steuersignale gekoppelt, aber bemerkenswert unempfindlich gegenüber dem niederfrequenten Rauschen war, das diese Geräte normalerweise plagt. Sie verifizierten dies durch die Messung, wie sich die Energieniveaus des Oszillators unter verschiedenen Antriebsbedingungen verschoben, und beobachteten, dass die Verschiebung quadratisch mit den Antriebsparametern anstieg. Dies bestätigte, dass das System die langsamen, störenden Fluktuationen effektiv herausfilterte, während es offen für die schnellen, nützlichen Befehle blieb.

Um zu beweisen, dass dieses Konzept in der Praxis funktioniert, konzentrierte sich das Team zunächst auf die grundlegende Aufgabe des Zurücksetzens des Quantenbits. In der Quantenberechnung ist es essenziell, mit einer sauberen Tafel zu beginnen, doch thermische Energie hinterlässt das System oft in einem Mischzustand. Mithlich des niederfrequenten Ladungsantriebs konnten sie die Energie des Quantenbits schnell in einen verlustreichen Resonator übertragen und so die Wärme effektiv abführen. Dieser Prozess dauerte nur 82 Nanosekunden und reduzierte die Besetzung der angeregten Zustände auf unter 0,7 Prozent. Dieses Ergebnis war signifikant, da es niedriger war als das natürliche thermische Gleichgewicht des Systems, das bei 2,5 Prozent lag. Die Geschwindigkeit und Effizienz dieses Resets zeigten, dass der Antrieb das System mit hoher Fidelität manipulieren konnte, ohne die übermäßigen Fehler einzuführen, die oft mit solch schnellen Operationen einhergehen.

Darauf aufbauend kodierten die Forscher ein logisches Qubit unter Verwendung zweier dieser Oszillatoren und schufen damit ein sogenanntes Dual-Rail-Qubit. In diesem Aufbau wird die Information in der Anwesenheit eines einzelnen Photons gespeichert, das zwischen den beiden Schaltkreisen geteilt wird. Wenn einer der Schaltkreise sein Photon verliert, fällt das System in einen Grundzustand, der leicht detektierbar ist, anstatt die Information in einen unbekannten Zustand zu bringen. Diese Eigenschaft, die als Erasure-Bias bezeichnet wird, ist höchst wünschenswert, da sie einen schwer zu detektierenden Fehler in einen bekannten Ausfall verwandelt, der verworfen oder korrigiert werden kann. Das Team zeigte, dass ihr dynamisches Schutzschema diesen Bias um den Faktor vier verstärkte. Wenn sie zufällige Sequenzen logischer Operationen, bekannt als Clifford-Gates, durchführten, wurde die Fehlerrate pro Gate mit 5,6 × 10⁻⁴ gemessen. Nach dem Herausfiltern der Durchläufe, in denen eine Löschung (Erasure) detektiert wurde, sank die Fehlerrate sogar auf 1,5 × 10⁻⁴. Diese Werte wurden mit Gate-Zeiten von nur 25 Nanosekunden erreicht, was zeigt, dass der Schutzmechanismus die Berechnung nicht verlangsamt.

Der Erfolg dieses Experiments legt nahe, dass der Zielkonflikt zwischen Rauschschutz und Operationsgeschwindigkeit durch die Ausnutzung der Frequenzabhängigkeit der Systemantwort überwunden werden kann. Die Forscher merkten an, dass die rohe Fehlerrate derzeit durch die natürliche Lebensdauer der Oszillatoren begrenzt ist, das Potenzial für Verbesserungen jedoch beträchtlich ist. Sie wiesen darauf hin, dass der aktuelle Aufbau nur eine einzige Prüfung am Ende einer Sequenz verwendet, um Erasures zu detektieren. Durch das Hinzufügen eines dritten Oszillators, der als Ancilla für Prüfungen während der laufenden Operation (mid-circuit checks) dient, erwarten sie, dass die Fehlerraten noch weiter sinken werden, was potenziell Ereignisse löst, bei denen das System zerfällt und sich dann wieder aufheizt. Diese Arbeit bietet einen klaren Weg nach vorn für die Verwendung von Sub-Gigahertz-Ladungsantrieben zum Schutz von Quanteninformationen und bietet eine robuste Methode zum Bau hochpräziser Quantenprozessoren, die in der verrauschten Umgebung eines Festkörperchips effektiv arbeiten können. Die Ergebnisse bestätigen, dass dynamischer Schutz nicht nur eine theoretische Möglichkeit ist, sondern ein praktisches Werkzeug, das in bestehende supraleitende Architekturen integriert werden kann, um deren Leistung und Zuverlässigkeit zu steigern.