Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

Auf der Suche nach dem Bau eines Quantencomputers, der Probleme lösen kann, die jensein der Reichweite klassischer Maschinen liegen, stehen Wissenschaftler einem unerbittlichen Feind gegenüber: dem Rauschen. Quanteninformationen sind unglaublich zerbrechlich und werden durch die kleinste Vibration oder Fluktuation in ihrer Umgebung leicht durcheinandergebracht. Um diese empfindlichen Daten zu schützen, haben Forscher eine Strategie namens Fehlerkorrektur entwickelt. Anstatt zu versuchen, die physischen Komponenten perfekt zu machen, verteilen sie ein einzelnes Stück Information, bekannt als logisches Qubit, auf viele physische Komponenten. Wenn ein Teil ausfällt, kann das System den Fehler erkennen und beheben, ohne die Information zu zerstören. Ein vielversprechender Ansatz nutzt Licht, das in einem Mikrowellen-Resonator gefangen ist, wobei die Daten in der Anzahl der Photonen – den Lichtteilchen – gespeichert werden, die darin hin und her springen. Um zu prüfen, ob die Daten noch sicher sind, benötigt das System einen Helfer, ein kleines Quantengerät namens Ancilla, das wie ein Sensor fungiert, um den Zustand des Lichts zu lesen, ohne es direkt zu berühren.

Jahrelang haben Ingenieure sich auf einen speziellen Typ von Helfer verlassen, einen supraleitenden Schaltkreis, bekannt als Transmon, der so abgestimmt wurde, dass seine Energieniveaus auf eine sehr präzise Weise mit dem Licht übereinstimmen. Diese Übereinstimmung wurde als perfekter Schutz geglaubt. Die Theorie besagte, dass wenn der Helfer einen Fehler macht und in einen niedrigeren Energiezustand abfällt, das System dies sofort wüsste und korrigieren könnte, oder dass bestimmte gefährliche Fehler aufgrund der die das System beherrschenden Symmetrieregeln physikalisch unmöglich seien. Dieses Design wurde in realen Quantenprozessoren verwendet, wie etwa dem Ocelot-Repetitionscode, der von Forschern bei AWS entwickelt wurde, wo es Informationen erfolgreich für Millisekunden speicherte. Die vorherrschende Annahme war, dass die Fehler des Helfers unabhängig davon waren, wie viel Licht gespeichert wurde; je mehr Licht vorhanden war, desto besser war der Schutz, und das Verhalten des Helfers blieb konstant.

Eine neue Analyse von Aleksandr Gulkanov von der Rice University deutet jedoch darauf hin, dass dieser Schutzschild einen verborgenen Riss hat. Durch die genaue Untersuchung, wie der Helfer mit dem Licht im Inneren des Resonators interagiert, fand der Forscher heraus, dass eben jene Photonen, die eigentlich dazu dienen, die Daten zu schützen, einen spezifischen Typ von Fehler im Helfer auslösen können. Die Studie zeigt, dass der Helfer einen Übergang durchlaufen kann, der zuvor als verboten galt, wenn der Resonator mit Photonen gefüllt ist. In diesem Prozess fällt der Helfer in einen niedrigeren Energiezustand ab und fügt gleichzeitig dem Lichtfeld ein Photon hinzu. Entscheidend ist, dass dieses Ereignis ohne jegliches Warnsignal an den Computer geschieht. Das System weiß nicht, dass ein Fehler aufgetreten ist, und da sich der Zustand des Helfers auf eine Weise ändert, die die Daten verwirrt, kippt die gespeicherte Information. Dies ist ein stiller Fehler, einen, den der Computer nicht erkennen oder beheben kann.

Die Forscher schlugen diese Idee nicht nur theoretisch vor, sondern bauten ein detailliertes Modell des tatsächlichen Ocelot-Geräts, um zu sehen, wie dieser verborgene Kanal in einer realen Maschine reagieren würde. Sie fanden heraus, dass die Rate dieser stillen Fehler direkt von der Anzahl der Photonen im Resonator abhängt. Wenn die Menge des gespeicherten Lichts steigt, wächst die Wahrscheinlichkeit dieses spezifischen Fehlers. Dies ist eine signifikante Abweichung von bisherigen Modellen, die davon ausgingen, dass die Fehlerrate unabhängig von der Lichtintensität flach bleiben würde. In ihren Simulationen beobachtete das Team, dass für das Ocelot-Gerät die Chance eines Bit-Flips durch diesen Mechanismus linear ansteigt, während die Anzahl der Photonen von vier auf zehn steigt. Dieses Wachstum bedeutet, dass das bloße Hinzufügen von mehr Licht, um den Code zu stärken, schließlich an eine Wand stößt. Anstatt dass die Fehlerrate wie erhofft exponentiell sinkt, beginnt sie zu steigen, was einen Boden schafft, unter den das System nicht fallen kann.

Diese Entdeckung stellt das aktuelle Verständnis darüber infrage, wie man diese Quantencodes optimiert. Die Studie deutet darauf hin, dass es eine optimale Größe für die Lichtspeicherung gibt, eine spezifische Anzahl von Photonen, bei der die Fehlerrate am niedrigsten ist. Werden diese überschritten, indem man versucht, mehr Licht zu speichern, um mehr Schutz zu gewinnen, wird das System tatsächlich anfälliger für diese spezifische Art von Rauschen. Die Forscher berechneten, dass dieser Grenzwert für die Geräte, die derzeit im Einsatz sind, die Fähigkeit des Systems einschränken könnte, zwischen verschiedenen Arten von Fehlern zu unterscheiden, was effektiv die Leistung des Computers begrenzt. Sie merkten auch an, dass der Effekt in aktuellen Experimenten, die bisher nur bis zu vier Photonen getestet haben, zwar klein ist, der Trend in ihrem Modell jedoch klar ist. Wenn die Technologie skaliert wird, um mehr Licht zu speichern, wird dieser stille Fehlermodus zur dominierenden Fehlerquelle werden und andere bekannte Probleme überholen.

Das Paper untersucht auch, warum dies geschieht. Es stellt sich heraus, dass der Helfer und das Licht nicht nur nebeneinander existieren, sondern tief miteinander verwoben sind. Die Anwesenheit des Lichts verändert die Energielandschaft des Helfers und eröffnet einen Pfad für den Zerfall, der bei Abwesenheit des Lichts blockiert wäre. Dieser Pfad wird durch elektrisches Rauschen angetrieben, ein häufiges Hintergrundrauschen in diesen Schaltkreisen. Wenn das Licht vorhanden ist, wirkt es wie ein Katalysator, der den Helfer dazu bringt, einen Sprung zu vollziehen, den er alleine nicht machen würde. Die Forscher zeigten, dass dieser Effekt für die spezifische Art von Helfer, die derzeit verwendet wird, unvermeidlich ist, unabhängig davon, wie stark die Verbindung zwischen dem Helfer und dem Licht ist. Die einzigen Wege, dieses Risiko zu verringern, bestehen darin, das Design des Helfers zu ändern, einen völlig anderen Typ von Schaltkreis zu verwenden oder zu akzeptieren, dass es eine Grenze für die Menge an Licht gibt, die zur Protektion genutzt werden kann.

Die Ergebnisse haben unmittelbare Auswirkungen auf das Design zukünftiger Quantencomputer. Ingenieure, die geplant hatten, die Größe dieser lichtbasierten Codes zu erhöhen, um deren Leistung zu verbessern, müssen ihre Strategien möglicherweise überdenken. Die Studie legt nahe, dass das Streben nach größeren Codes ohne Berücksichtigung dieser spezifischen Interaktion zu abnehmenden Erträgen oder sogar schlechterer Leistung führen kann. Die Forscher betonen, dass ihre Arbeit eine Simulation basierend auf der bekannten Physik des Ocelot-Geräts ist, die gegen statische Messungen der Hardware kalibriert wurde. Obwohl das tatsächliche Wachstum der Fehler in Experimenten noch nicht beobachtet wurde, da die aktuellen Geräte mit zu viel Licht getestet werden müssten, um den Trend zu sehen, ist der theoretische Rahmen robust. Das Modell sagt voraus, dass wenn die Experimente auf höhere Photonenzahlen ausgeweitet würden, die Fehlerrate steigen würde, was die Existenz dieses neuen Kanals bestätigen würde.

Letztendlich dient diese Arbeit als Erinnerung daran, dass in Quantensystemen die Werkzeuge, die zur Informationssicherung eingesetzt werden, manchmal zur Quelle ihrer Zerstörung werden können. Die Photonen, die den Code stabilisieren, öffnen auch eine Tür, durch die Rauschen eindringen kann. Durch die Identifizierung dieses Mechanismus bietet die Studie ein klares Ziel für zukünftige Verbesserungen. Sie sagt den Forschern, dass sie für bessere Quantencomputer über die einfache Idee von „mehr Licht ist besser“ hinausblicken und stattdessen den Fokus auf den komplizierten Tanz zwischen dem Helfer und den Daten legen müssen, die er zu schützen vorgibt. Der Weg nach vorn besteht darin, entweder den Helfer neu zu entwerfen, um diese Interaktion zu vermeiden, oder neue Wege zu finden, um das Rauschen zu managen, das sie antreibt, damit die nächste Generation von Quantenmaschinen die Kraft des Lichts wirklich nutzen kann, ohne ihrer eigenen Präsenz zum Opfer zu fallen.