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

In de wereld van quantumcomputing bestaat het brein van de machine uit minuscule circuits die in twee toestanden tegelijkertijd kunnen bestaan, een eigenschap die hen in staat stelt problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor gewone computers. Deze circuits zijn echter ongelooflijk fragiel. Om ze te gebruiken, moeten wetenschappers voortdurend hun toestand controleren, een proces dat meting wordt genoemd, om te waarborgen dat ze correct werken en om fouten te corrigeren voordat ze zich verspreiden. Deze controle moet extreem snel en nauwkeurig zijn, omdat op het moment dat een circuit ongebruikt blijft terwijl het wacht op een meting, het zijn delicate quantuminformatie begint te verliezen. Jarenlang was een grote flessenhals bij het bouwen van deze krachtige machines dat het uitlezen van de toestand van een circuit trager en foutgevoeliger is dan de operaties die het manipuleren. Als het leesproces te traag is, vervaagt de informatie; als het te agressief is, kan de handeling van het bekijken van het circuit het circuit volledig uit zijn beoogde toestand brengen.

Een team onderzoekers aan het RIKEN Center for Quantum Computing in Japan heeft nu een manier gedemonstreerd om de toestand van een supergeleidend circuit uit te lezen met ongekende snelheid en zachtheid. Ze slaagden erin een volledige meting te voltooien in minder dan honderd nanoseconden, een tijdsbestek zo kort dat het wordt gemeten in miljardsten van een seconde. Belangrijker nog, ze bereikten dit zonder het circuit te verstoren of het te laten lekken naar ongewenste, hogere energietoestanden die de berekening zouden ruïneren. Door de interactie tussen het circuit en een gespecialiseerd filter zorgvuldig af te stemmen, bewezen het team dat het mogelijk is om quantuminformatie snel en accuraat uit te lezen, zelfs wanneer de componenten zeer dicht bij elkaar in frequentie zijn afgestemd, een conditie die voorheen als te riskant werd beschouwd voor snelle operaties.

De onderzoekers concentreerden zich op een specif Kind quantumcircuit dat bekend staat als een transmon, een standaard bouwsteen in veel moderne quantumprocessors. Om de toestand van dit circuit te meten, gebruikten ze een techniek genaamd dispersieve uitlezing. Stel je voor dat het circuit verbonden is met een resonator, een kleine kamer die elektromagnetische golven kan vasthouden, net zoals een gitaarsnaar een specifieke toon vasthoudt. Wanneer het circuit in de ene toestand is, verandert het de toonhoogte van de resonator slechts licht; wanneer het in de andere toestand is, verandert de toonhoogte anders. Door een signaal in deze resonator te sturen en te luisteren naar hoe het terugkaatst, kunnen wetenschappers zien in welke toestand het circuit zich bevindt. De uitdaging is altijd geweest om snelheid met veiligheid in balans te brengen. Om snel een duidelijk signaal te krijgen, is een sterke verbinding tussen het circuit en de resonator nodig, maar een sterke verbinding kan ook ervoor zorgen dat het circuit energie verliest of naar de verkeerde toestand springt.

In dit nieuwe werk introduceerde het team een speciale filterresonator in de opstelling. Deze filter fungeert als een poortwachter, waardoor het meet signaal efficiënt kan passeren terwijl het het hoofdcircuit beschermt tegen onnodige ruis. Ze ontwierpen het systeem zo dat de resonator zeer snel reageert op het meet signaal, waardoor ze genoeg informatie konden verzamelen om een beslissing te nemen in slechts 58 nanoseconden. Zodra de meetpuls eindigt, stroomt de resterende energie in de resonator passief weg in enkele tientallen nanoseconden, zonder dat er extra actieve pulsen nodig zijn om het leeg te maken. Dit snelle leegmaken betekent dat het circuit bijna onmiddellijk kan terugkeren naar de normale werking. De onderzoekers definieerden de totale meettijd als de periode van het begin van de puls tot het moment dat de door de meting geïntroduceerde fout onder een kleine drempelwaarde zakt. Ze vonden deze totale tijd 97 nanoseconden te zijn.

Het team testte ook rigoureus of deze snelle meting ervoor zorgde dat het circuit "lekte" naar hogere energieniveaus die niet deel uitmaken van het standaard tweetoestandsysteem. Dergelijke lekkage is een veelvoorkomend probleem wanneer metingen te sterk zijn of de componenten te dicht bij elkaar in frequentie liggen. Met behulp van een gespecialiseerde, zeer gevoelige meetsequentie volgden ze het gedrag van het circuit over duizenden herhaalde proeven. Ze vonden dat de snelheid waarmee het circuit in deze ongewenste toestanden lekte extreem laag was, en slechts ongeveer twee keer zo vaak voorkwam als de natuurlijke achtergrondrate van lekkage die zelfs zonder de meting optreedt. Deze lekkagesnelheid was twee orde van grootte kleiner dan de snelheid waarmee de meting ervoor zorgde dat het circuit ontspande of energie verloor, wat de dominante bron van fouten was.

Om te begrijpen waarom het systeem zo stabiel bleef ondanks het opereren in een regime waar veel ongewenste resonanties theoretisch mogelijk zijn, voerden de onderzoekers gedetailleerde computersimulaties uit. Ze onderzochten de complexe interacties tussen het meet signaal en de energieniveaus van het circuit. Hun simulaties toonden aan dat hoewel de meetpuls inderdaad door verschillende punten ging waar resonanties konden optreden, de verbinding tussen de toestanden op deze punten ongelooflijk zwak was. Omdat de resonator de energie zo snel afvoerde, bewoog het systeem te snel door deze potentiële probleemgebieden om vast te komen zitten of naar de verkeerde toestand te springen. De snelle passage betekende dat het circuit deze grenzen overstak zonder te worden verstoord, een proces dat bekend staat als diabatisch traverseren.

De resultaten bevestigen dat het mogelijk is om snelle, hoogwaardige en met lage lekkage gepaard gaande metingen te realiseren, zelfs wanneer het circuit en de resonator zeer dicht bij elkaar in frequentie zijn afgestemd. Deze bevinding is significant omdat het een belangrijke beperking wegneemt voor hoe quantumprocessors ontworpen kunnen worden. Voorheen waren ingenieurs wellicht gedwongen om deze componenten ver uit elkaar te plaatsen om fouten te vermijden, wat het ontwerp kan compliceren en de prestaties kan verminderen. Door aan te tonen dat een grote vervalrate gecombineerd met een zorgvuldig geoptimaliseerd signaal effectief kan werken bij kleine frequentieverschillen, opent dit werk de deur naar meer compacte en efficiënte quantumprocessors. Het vermogen om de toestand van een quantumbit in minder dan 100 nanoseconden met een dergelijke hoge nauwkeurigheid uit te lezen, brengt de praktische realisatie van foutgecorrigeerde quantumcomputers een stap dichter bij de werkelijkheid.