High-fidelity and robust controlled-Z gates for superconducting transmon qubits. II. System-parameter uncertainties and overall errors

En la carrera por construir una máquina capaz de resolver problemas que están fuera del alcance de las computadoras más potentes de hoy, los científicos están recurriendo a una tecnología que se basa en las extrañas reglas de la mecánica cuántica. En el corazón de este esfuerzo se encuentran diminutos circuitos hechos de metal superconductor, enfriados a temperaturas más frías que el espacio profundo. Estos circuitos actúan como átomos artificiales, conocidos como qubits, que pueden mantener la información en un estado de superposición, existiendo en múltiples posibilidades a la vez. Para que estas máquinas sean útiles, los qubits deben comunicarse entre sí, realizando operaciones lógicas que vinculan sus estados. Una de las operaciones más críticas es una compuerta que cambia el estado de un qubit solo si su compañero se encuentra en una condición específica, un proceso conocido como compuerta controlada-Z. Para que una computadora cuántica funcione de manera fiable, estas compuertas deben ser increíblemente rápidas e increíblemente precisas. Sin embargo, el mundo físico es desordenado. Los materiales utilizados para construir estos circuitos nunca son perfectos, y el entorno nunca es perfectamente estático. Pequeñas variaciones en cómo se fabrican los qubits, o ligeros cambios en sus frecuencias a lo largo del tiempo, pueden hacer que la compuerta falle. Si una computadora requiere un conocimiento perfecto de cada uno de sus componentes para funcionar, será imposible escalar hasta los miles de qubits necesarios para aplicaciones del mundo real. El desafío, por lo tanto, no es solo construir una compuerta rápida, sino construir una que sea lo suficientemente robusta como para seguir funcionando incluso cuando el hardware es ligeramente imperfecto o las condiciones cambian.

Un equipo de investigadores ha desarrollado una nueva estrategia para resolver este problema, creando un método para diseñar estas compuertas cuánticas de modo que puedan resistir las incertidumbres inevitables del mundo físico. En un estudio complementario, ya habían descubierto cómo hacer que estas compuertas fueran rápidas y resistentes al ruido aleatorio del entorno. En este nuevo trabajo, dirigieron su atención hacia el otro lado del problema: la incertidumbre en el propio hardware. Se preguntaron qué pasaría si la fuerza de la conexión entre dos qubits no fuera exactamente la que los ingenieros pensaban, o si las frecuencias naturales de los qubits fueran ligeramente distintas debido a diferencias de fabricación. Descubrieron que estos errores se dividen en dos categorías distintas, cada una de las cuales requiere un tipo diferente de defensa. Un tipo de error proviene de la fuerza del vínculo entre los qubits, mientras que el otro proviene de errores en los niveles de energía de los qubits mismos. Al tratar estos dos problemas por separado, el equipo diseñó pulsos de control —secuencias precisas de señales magnéticas— que podían neutralizar ambos tipos de errores simultáneamente.

Los investigadores descubrieron que los errores relacionados con la fuerza de la conexión podían suprimirse modulando rápidamente la frecuencia de los qubits. Imagine sacudir un objeto pesado de un lado a otro muy rápidamente para evitar que se asiente en una posición donde podría volcarse; de manera similar, al oscilar las frecuencias de los qubits, el sistema promedia eficazmente los errores causados por una conexión imprecisa. Esta técnica, conocida como desacoplamiento dinámico, les permitió reducir el error causado por las incertidumbres de acoplamiento a un nivel de 6.21 × 10⁻⁷ para una compuerta que tarda 30 nanosegundos en completarse. Este es un avance masivo sobre los métodos estándar, que fallarían bajo las mismas condiciones. Con esta estrategia, la compuerta puede tolerar variaciones en la fuerza de la conexión de hasta 2π × 4 MHz manteniendo aún un alto nivel de precisión. Esto significa que los ingenieros no necesitan medir la conexión entre cada par de qubits con extrema precisión, ni necesitan recalibrar el sistema constantemente a medida que el hardware deriva.

El segundo tipo de error, derivado de las incertidades en los niveles de energía de los qubits, requería un enfoque diferente. En lugar de sacudir el sistema, los investigadores encontraron un "punto dulce" específico donde opera la compuerta. Identificaron un punto donde el desajuste, o la diferencia de frecuencia entre los qubits, está equilibrado de tal manera que hace que la compuerta sea insensible a pequeños cambios en la energía. Al operar cerca de este punto simétrico, la compuerta se vuelve naturalmente resistente a los errores en la anharmonicidad y las frecuencias de flujo cero de los qubits. Para una compuerta de 24 nanosegundos, este método permite que el sistema tolere incertididades individuales de hasta 2π × 5 MHz en estos parámetros. Este hallazgo es crucial porque demuestra que, al elegir el punto de operación adecuado, la compuerta puede seguir siendo precisa incluso si el hardware no está caracterizado perfectamente.

El equipo no se detuvo en observar estos errores de forma aislada. Combinaron sus nuevas estrategias de robustez con su trabajo previo sobre ruido y decoherencia para simular cómo se comportarían estas compuertas a través de seis etapas diferentes de mejora del hardware. Imaginaron un futuro donde los materiales mejoran, el ruido disminuye y las incertidumbres se reducen. En las etapas iniciales, donde el hardware es más ruidoso y menos estable, la mejor estrategia es hacer la compuerta lo más rápida posible, incluso si es ligeramente menos robusta, porque el tiempo dedicado a operar expone al sistema a demasiado ruido ambiental. Sin embargo, a medida que el hardware mejora y el ruido disminuye, el equilibrio cambia. Los investigadores descubrieron que, en etapas más avanzadas, resulta mejor dedicar un poco más de tiempo a ejecutar una compuerta más larga y robusta. En la etapa más avanzada que consideraron, donde el hardware está altamente refinado, su compuerta optimizada logró un error intrínseco de 1.93 × 10⁻⁸ y un error total de 4.55 × 10⁻⁶. En este nivel, los errores restantes están limitados principalmente por la pérdida de energía natural de los qubits, un límite físico fundamental.

Este trabajo proporciona una hoja de ruta práctica para la construcción de procesadores cuánticos a gran escala. Demuestra que, al diseñar los pulsos de control para que sean intrínsecamente menos sensibles a las variaciones de los parámetros, los científicos pueden reducir la carga de la calibración. En lugar de necesitar medir y ajustar cada uno de los componentes con extrema precisión, lo cual se vuelve imposible a medida que el número de qubits crece a miles, el sistema puede diseñarse para funcionar bien a través de un rango de condiciones. Las compuertas resultantes son más rápidas, más precisas y mucho más permisivas con las imperfecciones que conlleva la fabricación en el mundo real. Al equilibrar velocidad, fidelidad y robustez, este marco ofrece un camino hacia adelante para hacer computadoras cuánticas que no sean solo posibilidades teóricas, sino herramientas prácticas que puedan mantenerse y operarse de manera fiable.