Conditional-squeezing gate in superconducting circuits

In de zoektocht naar de bouw van een kwantumcomputer staan wetenschappers voor een fundamentele keuze: hoe informatie op te slaan. De meest gebruikelijke aanpak behandelt gegevens als een reeks kleine schakelaars, die elk in een van de twee posities vergrendeld zijn, representatief voor een nul of een één. Deze methode werkt goed, maar vereist veel fysieke schakelaars om een enkel stuk informatie te beschermen tegen fouten. Een alternatief pad kijkt naar de continue aard van licht- en geluidsgolven, waarbij informatie wordt gecodeerd in de vorm en fase van een golf die in een oneindig aantal toestanden kan bestaan. Deze continue aanpak biedt een manier om meer gegevens in een enkel systeem te verpakken, maar is berucht moeilijk te controleren. De uitdaging ligt in het vormen van deze golven met extreme precisie zonder de ruis te introduceren die kwantuminformatie vernietigt.

Onderzoekers in Argentinië hebben nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze kwantumgolven met hoge precisie te vormen, wat een veelbelovende stap vormt richting robuuster kwantumgeheugen. Ze richtten zich op een specifiek type golf dat een 'squeezed state' (samengeperste toestand) wordt genoemd, waarbij de onzekerheid van de golf in de ene richting wordt samengedrukt terwijl deze in een andere richting wordt uitgebreid, vergelijkbaar met het indrukken van een ballon. Het doel was om een apparaat te creëren dat deze golf kan samenpersen in een richting die wordt bepaald door de toestand van een afzonderlijke kwantumbit, of qubit. Deze voorwaardelijke actie is essentieel voor het bouwen van complexe kwantumcodes die hun eigen fouten kunnen detecteren en corrigeren. Echter, de natuurwetten die deze circuits beheersen, introduceren subtiele, ongewenste rimpelingen die de golf vervormen, wat de operatie bedreigt. Het team heeft een slimme techniek ontwikkeld om deze rimpelingen te elimineren, waardoor ze een bijna perfecte 'squeezing gate' kunnen creëren. Hun simulaties tonen aan dat deze methode kwantuminformatie kan coderen met een getrouwheid (fidelity) van meer dan 99 procent, een nauwkeurigheidsniveau dat vereist is voor praktisch kwantumcomputergebruik.

Het experiment vindt plaats in een supergeleidend circuit, een minuscule elektronische lus gemaakt van materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand wanneer ze worden afgekoeld tot nabij het absolute nulpunt. In het hart van deze opstelling bevindt zich een resonator, een kamer die elektromagnetische golven vangt, en een qubit, een microscopische schakelaar die in een nul- of een-toestand kan zijn. De twee zijn verbonden zodanig dat de toestand van de qubit de natuurlijke frequentie van de resonator verandert. Om de golf in de resonator samen te persen, passen de onderzoekers een magnetisch veld toe dat met een specifieke snelheid oscilleert. Door tegelijkertijd twee verschillende oscillatiefrequenties te gebruiken, kunnen ze de resonator in een toestand brengen waarin de golf wordt samengeperst. Cruciaal is dat omdat de qubit de frequentie van de resonator verandert, de squeezing plaatsvindt in één richting als de qubit nul is, en in een loodrechte richting als de qubit één is. Dit creëert een voorwaardelijke gate, een fundamentele bouwsteen voor kwantumlogica.

Het probleem is dat de fysica van het circuit niet perfect schoon is. Terwijl het magnetische veld het systeem aandrijft, introduceert het trage, drijvende termen die ervoor zorgen dat de golf gaat wankelen en ongewenste faseschuivingen accumuleert. Deze verstoringen werken als een lichte misuitlijning, waardoor de samengeperste golf in de verkeerde richting wijst of een willekeurige fase krijgt die de informatie verstoort. In eerdere pogingen om soortgelijke gates te bouwen, waren deze fouten moeilijk te corrigeren, wat de nauwkeurigheid van de operatie beperkte. De onderzoekers realiseerden zich dat de specifieke manier waarop ze het systeem met twee frequenties aanstuurden, een verborgen symmetrie creëerde. Ze ontdekten dat als ze de tijdstroom zouden omdraaien en de rollen van de twee drijvende frequenties zouden verwisselen, de ongewenste verstoringen elkaar zouden opheffen.

Om deze symmetrie uit te buiten, ontwierp het team een vierstaps-protocol. Eerst lieten ze het systeem een korte periode evolueren, waardoor de squeezing begon en de verstoringen begonnen op te bouwen. Daarna pasten ze een snelle puls toe om de qubit van nul naar één of vice versa te flippen, terwijl ze tegelijkertijd de fasen van de twee drijvende frequenties verwisselden. Deze actie keert effectief de richting van de tijd om voor de verstoringen. Ze lieten het systeem een even lange tijd evolueren in deze omgekeerde toestand, waardoor de fouten zichzelf ongedaan maken. Ten slotte flippten ze de qubit terug naar de oorspronkelijke toestand. Het resultaat is een proces waarbij het gewenste squeezing-effect optelt, maar de ongewenste fouten volledig worden geannuleerd.

Het team testte deze methode met behulp van gedetailleerde computersimulaties die het gedrag van het circuit met hoge precisie modelleerden. Ze simuleerden de codering van een willekeurige qubit-toestand in een complex patroon van samengeperste golven, een proces dat bekend staat als een coderingsalgoritme. Zonder de correctietechniek zorgden de fouten van de drijvende termen ervoor dat de getrouwheid van de gecodeerde informatie aanzienlijk daalde, met afwijkingen tot wel 0,3 procent. Dit lijkt klein, maar in de wereld van kwantumcomputing accumuleren dergelijke fouten snel en vernietigen ze de berekening. Wanneer ze de refocusing-techniek toepasten, daalde de afwijking naar bijna nul, met fouten die slechts enkele delen in de tien miljoen bedroegen. De simulaties toonden aan dat de gate een gemiddelde fidelity van meer dan 99 procent kon bereiken voor elke invoertoestand, mits de fysieke componenten van hoge kwaliteit waren.

De onderzoekers hielden ook rekening met de reële imperfecties die in een fysiek apparaat zouden bestaan, zoals het energieverlies uit het circuit en het niet-lineaire gedrag van de supergeleidende materialen. Zelfs wanneer deze factoren werden meegerekend, en uitgaande van optimistische maar realistische waarden voor hoe lang de kwantumtoestanden kunnen overleven voordat ze vervallen, behield de gate een fidelity boven de 99 procent. Het team breidde hun werk verder uit om aan te tonen dat deze methode tegelijkertijd op twee resonatoren kan worden toegepast, waardoor verstrengelde toestanden ontstaan die nog krachtiger zijn voor kwantuminformatieverwerking. In dit scenario met twee modi bereikte de gate zelfs hogere fidelities in een korter tijdsbestek, dankzij de sterke correlaties tussen de twee golven.

Dit werk biedt een duidelijk pad naar het bouwen van hoog-frequente kwantumgates die de continue variabelen kunnen manipuleren met de precisie die nodig is voor foutcorrectie. Door een eenvoudige timingtruc te gebruiken om de onvermijdelijke ruis van de fysieke wereld te elimineren, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om een gate te creëren die bijna niet te onderscheiden is van de ideale theoretische versie. Het vermogen om informatie te coderen in deze speciale samengeperste toestanden opent de deur naar nieuwe soorten kwantumcodes die fouten kunnen detecteren door simpelweg de pariteit van de golf te controleren. Hoewel de gepresenteerde resultaten gebaseerd zijn op simulaties, bieden ze een concreet blauwdruk voor experimenteel onderzoekers, wat suggereert dat de volgende generatie kwantumcomputers zou kunnen vertrouwen op deze continue, op golven gebaseerde systemen om informatie op te slaan en te verwerken met ongekende betrouwbaarheid.