Improved error correction with leakage reduction units built into qubit measurement in a superconducting quantum processor

Quantumcomputers beloven problemen op te lossen die voor traditionele machines duizenden jaren zouden duren, maar ze zijn berucht om hun kwetsbaarheid. Om te functioneren, vertrouwen deze machines op minuscule circuits die informatie in een delicate staat vasthouden, vaak door gebruik te maken van supergeleidende lussen die gekoeld worden tot temperaturen kouder dan de diepe ruimte. Het doel is om deze circuits lang genoeg stabiel te houden om complexe berekeningen uit te voeren. De omgeving is echter luidruchtig en de circuits maken regelmatig fouten. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een techniek genaamd quantumfoutcorrectie, waarbij informatie over vele fysieke circuits wordt verspreid, zodat als er één faalt, de anderen kunnen compenseren. Deze redundantie is de enige bekende weg naar het bouwen van een machine die onbeperkt kan draaien zonder in te storten. Toch heeft een specifiek type fout lang bedreigd om deze inspanningen teniet te doen. In tegen tegenstelling tot een simpele flip van een bit, die foutcorrectie goed afhandelt, treedt er een gevaarlijkere fout op wanneer een circuit per ongeluk in een staat glipt waar het nooit bedoeld was te zijn. Deze "lekkage" is als een arbeider die de fabrieksvloer volledig verlaat; eenmaal weg, kan de arbeider niet meer door de gebruikelijke instructies worden teruggeleid, en hun afwezigheid kan een kettingreactie van fouten veroorzaken die het hele systeem corrumpeert.

Onderzoekers bij QuTech in Nederland hebben nu een manier gedemonstreerd om deze wegglippende circuits te vangen en terug te laten keren naar het werk zonder de computer te vertragen. In een nieuwe studie introduceerden zij een methode die werkt als een vangnet, dat direct in het moment is gebouwd waarop de machine zijn eigen status controleert. In standaard quantumprocessors kost het controleren van de staat van een circuit tijd, en het herstellen van fouten vereist meestal een aparte, toegewezen stap die de berekening pauzeert. Het team vond een manier om de controle en de reparatie te combineren in één enkele, naadloze actie. Ze ontwikkelden een protocol dat gebruikmaakt van zorgvuldig getimede pulsen van microgolfenergie om een circuit dat in een verboden staat is gevallen, terug te duwen naar zijn juiste werkbereik. Cruciaal is dat dit gebeurt op exact hetzelfde moment dat de machine de waarde van het circuit uitleest, wat betekent dat de computer geen tijd verliest om de reparatie uit te voeren.

Het experiment richtte zich op een veelvoorkomend type quantumcircuit genaamd een transmon, dat drie hoofdniveaus van energie heeft. De twee lagere niveaus worden gebruikt voor normale berekeningen, terwijl het derde, hogere niveau de gevaarlijke lekkage vertegenwoordigt. Wanneer een circuit in dit derde niveau glipt, kan het niet langer worden gecontroleerd door standaardlogica. De onderzoekers ontwierpen een proces dat het circuit tegelijkertijd uit dit hoge niveau duwt en terugtrekt naar het middelste niveau, waar het hoort. Ze bereikten dit door twee microgolfsignalen tegelijkertijd te sturen: één naar het circuit zelf en een andere naar een nabijgelegen resonator, een apparaat dat wordt gebruikt om de staat van het circuit uit te lezen. De interactie tussen deze signalen creëert een eenrichtingspad. Zodra het circuit naar het juiste niveau beweegt, verandert de fysica van het systeem op een manier die voorkomt dat het weer omhoog glipt. Deze richtinggevoelige stroom zorgt ervoor dat het circuit efficiënt wordt gereset. Het team verifieerde dat dit proces de lekkage in 98,4% van de gevallen verwijdert, terwijl de machine nog steeds de waarde van het circuit met een hoge nauwkeurigheid kan uitlezen.

Om te bewijzen dat deze methode werkt in een reëel scenario, integreerden de onderzoekers het in twee verschillende soorten quantumfoutcorrectie-experimenten. In het eerste testten ze een geheugeneperiment, dat meet hoe goed een stuk informatie over een bepaalde tijd kan worden bewaard. In het tweede testten ze een stabiliteitsexperiment, dat meet hoe goed informatie door een netwerk van circuits kan worden verplaatst. In beide gevallen vergeleken ze de prestaties van hun nieuwe methode met standaardtechnieken. De resultaten toonden aan dat wanneer de nieuwe methode voor het verminderen van lekkage werd gebruikt, de computer minder logische fouten maakte, zelfs wanneer de mate van lekkage hoog was. De verbetering was het meest uitgesproken wanneer de methode werd gecombineerd met een meer gedetailleerde uitlezing die de drie energieniveaus kon onderscheiden, in plaats van slechts de twee standaard twee. Deze extra informatie stelde de foutcorrectiesoftware van de computer in staat om betere beslissingen te nemen, waardoor de schade veroorzaakt door lekkage effectief werd geneutraliseerd.

De betekenis van dit werk ligt in de efficiëntie ervan. Eerdere pogingen om lekkage te herstellen vereisten specifieke tijdstappen die vertragingen aan de berekening toevoegden, wat vaak nieuwe fouten introduceerde tijdens het wachten. Door de reparatie direct in het meetproces in te bedden, elimineerden de onderzoekers deze tijdstraf. Ze toonden aan dat de computer sneller en betrouwbaarder kan draaien omdat deze niet langer hoeft te pauzeren om zijn eigen fouten op te ruimen. De studie bevestigde ook dat de methode de kwaliteit van de uitgelezen informatie niet verslechtert, waarbij een hoog niveau van nauwkeurigheid voor de normale rekenstaten behouden blijft. Hoewel de onderzoekers opmerken dat verdere arbeid nodig is om deze aanpak op te schalen naar grotere, complexere machines, biedt het experiment een duidelijke en praktische oplossing voor een belangrijke bottleneck in de quantumcomputing. Door een hardnekkige bron van gecorreleerde fouten te veranderen in een beheersbare gebeurtenis, brengt deze techniek de droom van een fouttolerante quantumcomputer een stap dichter bij de realiteit.