Coherence Limits in Interference-Based cos(2$φ$) Qubits

In de zoektocht naar het bouwen van een quantumcomputer proberen wetenschappers het vreemde gedrag van subatomaire deeltjes te benutten om problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor de machines van vandaag. Om dit te doen, moeten ze minuscule, kunstmatige atomen creëren, genaamd qubits, die informatie kunnen vasthouden in een fragiele staat van superpositie. Een van de meest succesvolle typen van deze qubits, bekend als de transmon, wordt breed gebruikt omdat deze relatief eenvoudig te bouwen is en informatie gedurende lange tijd kan vasthouden. Echter, zelfs deze succesvolle qubits verliezen uiteindelijk hun data door twee hoofdvijanden: energiedecay, waarbij de qubit simpelweg uit zijn aangeslagen toestand valt, en defasering, waarbij de delicate timing van de quantumtoestand wordt verstoord door minuscule fluctuaties in elektrische of magnetische velden. Om een werkelijk krachtige computer te bouwen, zoeken onderzoekers naar een nieuw soort qubit die van nature immuun is voor beide problemen tegelijk.

Een veelbelovende kandidaat voor deze rol is de cos(2φ) qubit, een ontwerp dat vertrouwt op een slimme truc van quantuminterferentie om zichzelf te beschermen. Stel je een supergeleidende lus voor die twee speciale juncties bevat die ervoor zorgen dat elektriciteit zonder weerstand kan stromen. In een standaardopstelling fungeren deze juncties als eenvoudige poorten die enkele paren elektronen doorlaten. Het cos(2φ)-ontwerp is echter zo geconstrueerd dat de twee juncties met elkaar interfereren op een manier die single elektronparen blokkeert, waardoor alleen paren van paren kunnen passeren. Dit creëert een beschermende barrière die, in theorie, de qubit zou moeten stoppen met het verliezen van energie. Het idee is dat door de eenvoudigste manier waarop het systeem energie kan verliezen te verbieden, de qubit ongelooflijk stabiel wordt. Onderzoekers hebben echter ontdekt dat, door junctie-asymmetrie of imperfecte magnetische flux-parkering, de Hamiltonian een residuele term behoudt die perfecte bescherming verhindert. Ondanks dit heeft het ontwerp verschillende materialen gebruikt, van supergeleidende circuits tot minuscule halfgeleiderdraden, in de hoop deze energiebescherming te combineren met het vermogen om de verstorende effecten van omgevingsruis te weerstaan. Tot op heden is niemand erin geslaagd deze bescherming te combineren met bescherming tegen defasering.

Een team van onderzoekers uit Grenoble, Frankrijk, zette zich af om te testen of deze theoretische belofte stand zou kunnen houden in de echte wereld. Ze hebben geen nieuw fysiek apparaat gebouwd voor deze studie; in plaats daarvan creëerden ze een gedetailleerd wiskundig model van het circuit en voerden uitgebreide computersimulaties uit om te zien hoe het zou reageren onder verschillende omstandigheden. Hun doel was om de fundamentele limieten van dit ontwerp te begrijpen: kon het werkelijk beschermen tegen zowel energieverlies als defasering, of zouden de eigenschappen die energieverlies stoppen juist nieuwe problemen creëren? Door het gedrag van deze circuits te simuleren met realistische imperfecties, brachten ze exact in kaart hoe de qubit zou reageren op de onvermijdelijke ruis die in elke laboratoriumomgeving te vinden is.

De simulaties onthulden een verrassende en fundamentele beperking. Hoewel het ontwerp succesvol de stroom van enkele elektronparen blokkeert, waardoor de qubit wordt beschermd tegen energieverlies, creëert het een moeilijke afweging wat betreft het weerstaan van defasering. De onderzoekers ontdekten dat het circuit niet tegelijkertijd ongevoelig kan worden gemaakt voor zowel elektrische ladingsruis als magnetische fluxruis met de huidige interferentie-gebaseerde architectuur. Als het circuit wordt afgesteld om zeer resistent te zijn tegen elektrische ruis, wordt het extreem gevoelig voor magnetische fluctuaties. Omgekeerd, als het wordt afgesteld om magnetische ruis te negeren, wordt het kwetsbaar voor elektrische verstoringen. Dit betekent dat de "perfecte" bescherming waar de ontwerpers op hoopten, fysiek onmogelijk te bereiken is met deze specifieke architectuur. Het mechanisme dat de energiebarrière creëert, dwingt de qubit ook om te kiezen welke vorm van ruis hij kan negeren, waardoor hij aan de andere bloot blijft.

Het team ontdekte dat het best mogelijke resultaat voor deze qubits, gebruikmakend van de materialen en constructiemethoden die vandaag de dag beschikbaar zijn, een coherentietijd van slechts enkele microseconden is. Dit is de duur die de qubit kan houden voordat de ruis de informatie verstoort. Hoewel dit een significante verbetering is ten opzichte van sommige andere ontwerpen, valt het ver achter bij de milliseconden die de standaard transmon-qubits bereiken die momenteel in quantumcomputers worden gebruikt. De onderzoekers toonden aan dat zelfs met perfecte symmetrie in de circuitcomponenten en de meest precieze controle over magnetische velden, de defaseringstijd vast blijft zitten op dit microsecondenniveau. Ze vonden dat de enige manier om deze limiet te verhogen, het drastisch veranderen van de ratio van de energiecomponenten van het circuit zou zijn, een prestatie die materialen en fabricagetechnieken vereist die nog niet bestaan.

Misschien wel de meest cruciale bevinding was dat het vermogen van de qubit om een "sweet spot" te vinden — een specifieke instelling waarbij de qubit van nature immuun is voor ruis — sterk afhangt van de energieparameters van het circuit. Hoewel er een sweet spot bestaat waar de qubit ongevoelig is voor magnetische fluctuaties, vonden de onderzoekers dat in het regime waar het circuit het meest resistent is tegen ladingsruis (grote energieverhoudingen), deze sweet spot zo smal wordt dat deze effectief niet bestaat in vergelijking met de natuurlijke ruis in een experiment. De studie onthulde echter ook een praktische oplossing: de qubit kan nog steeds profiteren van de bescherming van deze architectuur door net buiten de sweet spot te opereren. Door de instellingen van het circuit zorgvuldig net buiten dit ideale punt te balanceren, kunnen onderzoekers de concurrerende effecten van ladingsruis en fluxruis gedeeltelijk in evenwicht brengen, waardoor de coherentietijd binnen de fundamentele limieten van het ontwerp zo ver mogelijk wordt verlengd.

De studie concludeert dat hoewel de cos(2φ) qubit een brilant theoretisch concept is voor het stoppen van energieverlies, de interferentie-gebaseerde aanpak die wordt gebruikt om het te bouwen, een harde grens bereikt wat betreft defasering. De onderzoekers suggereren dat dit specifieke pad wellicht niet de juiste weg is voor het bouwen van schaalbare quantumcomputers, aangezien de fundamentele afweging tussen ladingsruis en fluxruis niet kan worden overwonnen met de huidige technologie, wat vragen oproept over het langetermijnpotentieel van deze aanpak. Ze wijzen erop dat toekomstige vooruitgang mogelijk geheel andere ontwerpen vereist, zoals een recent voorgestelde architectuur met een eindige junctie-asymmetrie en specifieke energie-eigenschappen die in principe de geïdentificeerde afweging zouden kunnen omzeilen. Voor nu dient het werk als een duidelijke kaart van de grenzen van deze technologie, waarbij wordt aangetoond dat hoewel de qubit langer kan blijven bestaan tegen energieverlies, hij niet lang genoeg kan blijven bestaan tegen de ruis van de wereld om nuttig te zijn in een grootschalige computer zonder significante ontwerpwijzigingen.