Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

Het bouwen van een computer die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige machines liggen, vereist een fundamentele verschuiving in hoe we informatie opslaan. In de kwantumwereld is de basiseenheid van data fragiel; deze wordt gemakkelijk verstoord door de kleinste fluistering van warmte of elektromagnetische ruis, waardoor de berekening instort. Om een betrouwbare machine te bouwen, moeten wetenschappers een manier vinden om deze informatie te beschermen zonder een enorm leger aan extra componenten te gebruiken om deze constant te controleren en te corrigeren. Een veelbelovende aanpak houdt in dat data niet wordt gecodeerd in één enkel deeltje, maar in het collectieve gedrag van lichtdeeltjes, of fotonen, gevangen in een piepklein elektrisch circuit. Deze "cat qubits" zijn vernoemd naar een beroemd gedachte-experiment met een kat die tegelijkertijd levend en dood is; in deze context bestaat de qubit in twee verschillende toestanden tegelijkertijd. Het genie van dit ontwerp is dat het van nature weerstand biedt tegen één type fout, bekend als een bit-flip, waarbij de toestand per ongeluk van de ene naar de andere flipt. Het blijft echter kwetsbaar voor een ander type fout, een fase-flip, die de relatie tussen de twee toestanden verstoort. De uitdaging is altijd geweest om de bescherming tegen de eerste fout sterker te maken zonder de tweede fout erger te maken, een balans die moeilijk te vinden was.

Een team onderzoekers bij Alice & Bob, werkend samen met partners van verschillende Franse instellingen, heeft een manier gevonden om deze balans aanzienlijk in hun voordeel te doen doorslaan. Ze namen het standaardontwerp van deze lichtgebaseerde qubits en pasten een specifieke vervorming toe op de vorm van de lichttoestanden die ze gebruiken. Stel je de twee toestanden van een standaard qubit voor als twee afzonderlijke, ronde wolken van waarschijnlijkheid die zweven in een wiskundige ruimte. In het nieuwe ontwerp hebben de onderzoekers deze wolken samengeperst en in langgerekte vormen getrokken die lijken op halve manen. Deze eenvoudige geometrische verandering, bereikt door een specifiek type signaal toe te voegen aan hun bestaande apparatuur, stelde de twee toestanden in staat om veel verder uit elkaar te liggen op een manier die het extreem moeilijk maakt om ze met elkaar te verwarren, terwijl ze even stabiel bleven tegen het andere type fout.

De resultaten van dit experiment waren opmerkelijk. De onderzoekers maten hoe lang het duurde voordat de qubit per ongeluk van toestand versprong. In een standaard, niet-vervormde versie van deze qubit trad de fout ongeveer elke 138 milliseconden op. In hun nieuwe, samengeperste "maan-cat" versie hield de qubit zijn toestand 22 seconden vast voordat een soortgelijke fout optrad. Dit vertegenwoordigt een verbetering van de stabiliteit met een factor 160. Cruciaal is dat deze enorme winst niet kwam ten koste van een verhoogde kwetsbaarheid voor het andere type fout; de snelheid waarmee de qubit zijn fase verstoorde bleef nagenoeg gelijk, namelijk ongeveer 1,3 microseconden in beide gevallen. Dit betekent dat de onderzoekers erin zijn geslaagd de qubit veel robuuster te maken tegen één specifieke foutmodus zonder de verdediging tegen het andere type fout te verzwakken.

Het team testte ook hoe goed deze nieuwe qubits presteerden wanneer ze aan het werk werden gevraagd, specifen door een logische poort uit te voeren, wat een basisoperatie is waarbij de computer informatie verwerkt. Ze ontdekten dat de samengeperste qubits deze operaties niet alleen sneller en nauwkeuriger uitvoerden terwijl ze in rust waren, maar ook tijdens de berekeningen zelf. De poortoperaties waren sneller en de kans op fouten tijdens de berekening daalde aanzienlijk. De onderzoekers observeerden dat de nieuwe vorm van de lichttoestanden het moeilijker maakte voor het systeem om per ongeluk uit de veilige zone te lekken tijdens deze snelle bewegingen, wat de fouten verder verminderde. Deze verbetering was zo uitgesproken dat de totale kans op een bit-flip fout tijdens een poortoperatie met een factor 220 werd verminderd vergeleken met het standaardontwerp.

Wat deze ontdekking bijzonder belangrijk maakt, is dat het geen nieuwe machine vereiste of een wijziging in de fysieke lay-out van het circuit. De onderzoekers gebruikten hetzelfde supergeleidende chip en dezelfde basiscomponenten als in eerdere experimenten. Ze voegden simpelweg een tweede besturingssignaal toe, een specifieke pomp-frequentie, aan de bestaande opstelling om het samendrukkende effect te creëren. Dit suggereert dat de weg naar krachtigere kwantumcomputers niet altijd het uitvinden van volledig nieuwe hardware vereist, maar eerder het vinden van betere manieren om de informatie die al aanwezig is in het systeem vorm te geven. Door de vorm van de kwantumtoestanden zorgvuldig af te stemmen, lieten de onderzoekers zien dat het mogelijk is om de grenzen van foutbescherming ver voorbij wat voorheen met standaardontwerpen voor mogelijk werd gehouden, te verleggen.

De onderzoekers merkten op dat het samendrukkingsproces een zeer kleine toename introduceerde in de snelheid van het andere type fout, maar dat dit verlies verwaarloosbaar was vergeleken met de enorme winst in stabiliteit tegen bit-flips. Ze observeerden ook dat de verbetering in stabiliteit snel groeide naarmate ze het aantal fotonen in het systeem verhoogden, volgens een patroon dat veel steiler was dan de theoretische limieten voor standaard, niet-samengeperste ontwerpen. Dit suggereert dat naarmate deze systemen worden opgeschaald, de voordelen van deze techniek nog krachtiger kunnen worden. Het werk biedt een duidelijke, praktische methode voor het verbeteren van de prestaties van kwantumprocessors, waardoor het doel van fouttolerante kwantumcomputing, waarbij machines complexe algoritmen kunnen draaien zonder constante correctie, dichter bij de realiteit komt.