Low-leakage superconducting-qubit measurement with sub-100-ns total duration

Nel mondo dell'informatica quantistica, il cervello della macchina è composto da minuscoli circuiti che possono esistere in due stati contemporaneamente, una proprietà che permette loro di risolvere problemi impossibili per i computer ordinari. Tuttavia, questi circuiti sono incredibilmente fragili. Per utilizzarli, gli scienziati devono controllare costantemente il loro stato, un processo chiamato misurazione, per garantire che funzionino correttamente e per correggere eventuali errori prima che si diffondano. Questo controllo deve essere incredibilmente veloce e accurato, perché nel momento in cui un circuito rimane inattivo in attesa di una misurazione, inizia a perdere la sua delicata informazione quantistica. Per anni, un importante collo di bottiglia nella costruzione di queste potenti macchine è stato il fatto che la lettura dello stato di un circuito è più lenta e più soggetta a errori rispetto alle operazioni che lo manipolano. Se il processo di lettura è troppo lento, l'informazione svanisce; se è troppo aggressivo, l'atto di osservare il circuito può scagliarlo fuori dal suo stato previsto.

Un team di ricercatori presso il Centro RIKEN per l'Informatica Quantistica in Giappone ha ora dimostrato un modo per leggere lo stato di un circuito superconduttore con una velocità e una delicatezza senza precedenti. Sono riusciti a completare una misurazione completa in meno di cento nanosecondi, un intervallo di tempo così breve che viene misurato in miliardiesimi di secondo. Ancora più importante, ci sono riusciti senza disturbare il circuito o causare la sua fuga in stati indesiderati a energia più elevata che rovinerebbero il calcolo. Sintonizzando con cura l'interazione tra il circuito e un filtro specializzato, il team ha dimostrato che è possibile leggere l'informazione quantistica in modo rapido e accurato anche quando i componenti sono sintonizzati molto vicino tra loro in frequenza, una condizione che era precedentemente ritenuta troppo rischiosa per operazioni ad alta velocità.

I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di circuito quantistico noto come transmon, che è un elemento costruttivo standard in molti moderni processori quantistici. Per misurare lo stato di questo circuito, hanno utilizzato una tecnica chiamata lettura dispersiva. Immaginate che il circuito sia collegato a un risonatore, una piccola camera che può contenere onde elettromagnetiche, proprio come una corda di chitarra che tiene una nota specifica. Quando il circuito si trova in uno stato, cambia leggermente l'intonazione del risonatore; quando si trova nell'altro stato, l'intonazione cambia diversamente. Inviando un segnale in questo risonatore e ascoltando come rimbalza indietro, gli scienziati possono capire in quale stato si trova il circuito. La sfida è sempre stata bilanciare velocità e sicurezza. Per ottenere un segnale chiaro rapidamente, è necessaria una forte connessione tra il circuito e il risonatore, ma una connessione forte può anche causare la perdita di energia del circuito o il salto verso lo stato sbagliato.

In questo nuovo lavoro, il team ha introdotto un risonatore di filtro dedicato nel setup. Questo filtro agisce come un guardiano, permettendo al segnale di misurazione di passare efficientemente pur proteggendo il circuito principale da rumori non necessari. Hanno progettato il sistema in modo che il risonatore risponda molto velocemente al segnale di misurazione, permettendo loro di raccogliere abbastanza informazioni per prendere una decisione in soli 58 nanosecondi. Una volta terminato l'impulso di misurazione, l'energia rimanente nel risonatore si scarica passivamente in poche decine di nanosecondi, senza la necessità di impulsi attivi extra per liberarlo. Questo rapido svuotamento significa che il circuito può tornare alla normale operatività quasi immediatamente. I ricercatori hanno definito il tempo totale di misurazione come il periodo dal momento dell'inizio dell'impulso fino a quando l'errore introdotto dalla misurazione scende sotto una minuscola soglia. Hanno scoperto che questo tempo totale era di 97 nanoseconds.

Il team ha anche testato rigorosamente se questa misurazione veloce abbia causato la "fuga" del circuito verso livelli di energia più elevati che non fanno parte del sistema standard a due stati. Tale fuga è un problema comune quando le misurazioni sono troppo forti o i componenti sono troppo vicini in frequenza. Utilizzando una sequenza di misurazione specializzata e altamente sensibile, hanno tracciato il comportamento del circuito su migliaia di prove ripetute. Hanno scoperto che la velocità con cui il circuito è fuggito in questi stati indesiderati era estremamente bassa, avvenendo solo circa due volte più spesso del naturale tasso di fondo di fuga che avviene anche senza alcuna misurazione. Questo tasso di fuga era due ordini di grandezza inferiore al tasso con cui il circuito si rilassava o perdeva energia, che era la fonte dominante di errore.

Per comprendere perché il sistema sia rimasto così stabile nonostante operasse in un regime in cui molte risonanze indesiderate sono teoricamente possibili, i ricercatori hanno eseguito dettagliate simulazioni al computer. Hanno esaminato le complesse interazioni tra il segnale di misurazione e i livelli di energia del circuito. Le loro simulazioni hanno mostrato che, sebbene l'impulso di misurazione sia passato attraverso diversi punti in cui potrebbero verificarsi risonanze, la connessione tra gli stati in questi punti era incredibilmente debole. Poiché il risonatore scaricava l'energia così rapidamente, il sistema attraversava questi potenziali punti critici troppo velocemente per restare bloccato o saltare allo stato sbagliato. Il passaggio rapido significava che il circuito attraversava questi confini senza essere disturbato, un processo noto come attraversamento diabatico.

I risultati confermano che è possibile ottenere misurazioni rapide, ad alta fedeltà e a bassa fuga anche quando il circuito e il risonatore sono sintonizzati molto vicino tra loro in frequenza. Questa scoperta è significativa perché rimuove un importante vincolo su come i processori quantistici possano essere progettati. In precedenza, gli ingegneri avrebbero potuto sentirsi costretti a separare ampiamente questi componenti per evitare errori, il che potrebbe complicare il design e ridurre le prestazioni. Dimostrando che un grande tasso di decadimento combinato con un segnale attentamente ottimizzato può funzionare efficacementmente a piccole differenze di frequenza, questo lavoro apre la strada a processori quantistici più compatti ed efficienti. La capacità di leggere lo stato di un bit quantistico in meno di 100 nanosecondi con tale precisione porta la realizzazione pratica di computer quantistici corretti dagli errori un passo più vicina alla realtà.