Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

Nella corsa alla costruzione di un computer quantistico pratico, gli scienziati si trovano di fronte a un ostinato paradosso. Per eseguire i calcoli, devono controllare con estrema precisione i delicati bit quantistici, o qubit. Eppure, l'atto stesso di controllarli spesso introduce il rumore che distrugge le informazioni che essi contengono. Questo rumore proviene spesso dall'ambiente sotto forma di fluttuazioni elettriche a bassa frequenza, un ronzio di fondo quasi impossibile da eliminare nei materiali allo stato solido. Per anni, i ricercatori hanno cercato di schermare i loro qubit da questa interferenza, spesso progettandoli per essere meno sensibili alla carica. Tuttavia, questo approccio comporta solitamente un costo: rende i qubit più lenti da controllare o più difficili da connettere tra loro. La sfida è stata trovare un modo per proteggere l'informazione quantistica da questo rumore a bassa frequenza senza sacrificare la velocità e la connettività necessarie per il calcolo complesso.

Un team di ricercatori dell'Università della California, Berkeley, e di istituzioni collaboratrici ha trovato una soluzione ingegnosa cambiando il modo in cui pilotano il sistema. Inve vest invece di cercare di bloccare il rumore o rendere i qubit completamente immuni, hanno utilizzato un pilotaggio elettrico forte e rapido per bloccare efficacemente i qubit in posizione, una tecnica nota come spin-locking. Hanno dimostrato questo utilizzando un tipo specifico di circuito superconduttore chiamato oscillatore di Kerr, che funge da bit quantistico. Applicando un pilotaggio di carica a una frequenza appena inferiore a un gigahertz, hanno scoperto una proprietà unica: il circuito diventa quasi cieco al rumore lento a bassa frequenza che di solito causa errori, pur rimanendo altamente reattivo ai segnali di pilotaggio veloci necessari per le operazioni. Questo approccio ha permesso loro di resettare i loro bit quantistici in soli 82 nanosecondi, raffreddandoli a uno stato con meno dello 0,7 percento dell'energia indesiderata che tipicamente permane in questi sistemi. Inoltre, codificando un singolo bit logico attraverso due di questi oscillatori, hanno creato un qubit a doppia linea (dual-rail) che è naturalmente polarizzato verso un tipo specifico di errore. Ciò significa che quando si verifica un errore, è molto più probabile che si tratti di un'erasure (cancellazione) rilevabile piuttosto che di una corruzione silenziosa dei dati, una distinzione che rende la correzione degli errori significativamente più facile.

Il cuore di questa scoperta risiede nel modo in cui la frequenza del segnale di pilotaggio interagisce con il circuito. I ricercatori hanno scoperto che la sensibilità del loro oscillatore quantistico al rumore di carica non rimane costante; al contrario, cresce rapidamente all'aumentare della frequenza del pilotaggio. Nello specifico, la sensibilità scala con il quadrato sia della frequenza che della forza del pilotaggio. Questa relazione è cruciale perché il rumore dannoso nel loro ambiente segue un modello in cui le basse frequenze sono molto più forti delle alte frequenze. Pilotando il sistema a una frequenza vicina a un gigahertz, i ricercatori hanno spinto il sistema in un regime in cui è fortemente accoppiato ai loro segnali di controllo ma rimane notevolmente insensibile al rumore a bassa frequenza che di solito affligge questi dispositivi. Hanno verificato questo misurando come i livelli di energia dell'oscillatore si spostassero sotto diversi condizioni di pilotaggio, osservando che lo spostamento aumentava quadraticamente con i parametri del pilotaggio. Ciò ha confermato che il sistema stava filtrando efficacemente le fluttuazioni lente e dirompenti pur rimanendo aperto ai comandi veloci e utili.

Per dimostrare che questo concetto funziona in pratica, il team si è concentrato prima sul compito fondamentale di resettare il bit quantistico. Nel calcolo quantistico, iniziare con una tabula rasa è essenziale, ma l'energia termica spesso lascia il sistema in uno stato misto. Utilizzando il pilotaggio di carica a bassa frequenza, sono stati in grado di scambiare rapidamente l'energia dal bit quantistico in un risonatore dissipativo, scaricando efficacemente il calore. Questo processo ha richiesto solo 82 nanosecondi e ha ridotto la popolazione di stati eccitati a meno dello 0,7 percento. Questo risultato è stato significativo perché era inferiore all'equilibrio termico naturale del sistema, che si attestava al 2,5 percento. La velocità e l'efficienza di questo reset hanno dimostrato che il pilotaggio può manipolare il sistema con alta fedeltà senza introdurre gli errori eccessivi che spesso accompagnano operazioni così rapide.

Costruendo su questo, i ricercatori hanno codificato un qubit logico utilizzando due di questi oscillatori, creando quello che è noto come un qubit a doppia linea. In questa configurazione, l'informazione è memorizzata nella presenza di un singolo fotone condiviso tra i due circuiti. Se uno dei circuiti perde il suo fotone, il sistema cade in uno stato fondamentale facilmente rilevabile, invece di rimescolare l'informazione in uno stato sconosciuto. Questa proprietà, chiamata bias di erasure, è molto desiderabile perché trasforma un errore difficile da rilevare in un fallimento noto che può essere scartato o corretto. Il team ha dimostrato che il loro schema di protezione dinamica ha potenziato questo bias di un fattore quattro. Quando hanno eseguito sequenze casuali di operazioni logiche, note come porte Clifford, il tasso di errore per porta è stato misurato a 5,6 × 10⁻⁴. Dopo aver filtrato le esecuzioni in cui è stata rilevata un'erasure, il tasso di errore è sceso ulteriormente a 1,5 × 10⁻⁴. Questi numeri sono stati raggiunti con tempi di porta di soli 25 nanosecondi, indicando che il meccanismo di protezione non rallenta il calcolo.

Il successo di questo esperimento suggerisce che il compromesso tra protezione dal rumore e velocità operativa può essere superato sfruttando la dipendenza in frequenza della risposta del sistema. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il tasso di errore grezzo sia attualmente limitato dalla durata naturale degli oscillatori, il potenziale di miglioramento è sostanziale. Hanno sottolineato che l'attuale configurazione utilizza solo un singolo controllo alla fine di una sequenza per rilevare le erasure. Aggiungendo un terzo oscillatore per fungere da ancilla per controlli a metà circuito, prevedono che i tassi di errore scenderanno ulteriormente, potenzialmente risolvendo gli eventi in cui il sistema decade e poi si riscalda nuovamente. Questo lavoro fornisce una via chiara per l'uso di pilotaggi di carica sub-gigahertz per proteggere l'informazione quantistica, offrendo un metodo robusto per costruire processori quantistici ad alta fedeltà che possano operare efficacemente nell'ambiente rumoroso di un chip a stato solido. Le scoperte confermano che la protezione dinamica non è solo una possibilità teorica, ma uno strumento pratico che può essere integrato nelle architetture superconduttrici esistenti per migliorarne le prestazioni e l'affidabilità.