Geodesic-based optimal control for leakage suppression in superconducting qubits
Dit artikel presenteert een geodeet-gebaseerde optimale controlemethode voor supergeleidende qubits die de gate-getrouwheid aanzienlijk verbetert en lekfouten voor single-qubit operaties onderdrukt, terwijl hogere getrouwheid wordt bereikt voor twee-qubit SWAP gates ten koste van iets langere evolutietijden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Kwantumcomputers beloven problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor klassieke machines, maar ze zijn berucht fragiel. De fundamentele bouwstenen van deze machines, de zogenaamde qubits, zijn delicate systemen die gemakkelijk verstoord kunnen worden door hun omgeving. In veel van de meest geavanceerde ontwerpen zijn deze qubits gebouwd van minuscule elektrische circuits die zich gedragen als oscillerende veren. Om ze te laten functioneren als bits informatie, gebruiken wetenschappers slechts de twee laagste energieniveaus van deze circuits, waarbij ze deze behandelen als een nul en een één. Omdat deze circuits echter niet perfect geïsoleerd zijn, kan energie het systeem per ongeluk naar een derde, hoger energieniveau duwen dat nooit bedoeld was om te worden gebruikt. Deze ongewenste sprong staat bekend als lekkage (leakage). Wanneer een qubit naar dit hogere niveau lekt, stopt hij met zich te gedragen als een normale bit, en gaat de informatie die hij bevat verloren of raakt deze corrupt. Het oplossen van dit probleem is cruciaal, omdat als qubits te vaak lekken, de complexe foutcorrectiecodes die nodig zijn om een bruikbare kwantumcomputer te laten draaien, zullen falen.
Een team onderzoekers van het VTT Technical Research Centre van Finland heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze qubits aan te sturen die de lekkage aanzienlijk vermindert. Ze richtten zich op een methode genaamd sub-Riemanniaanse geodesische zoektocht, wat in essentie een wiskundige techniek is voor het vinden van het meest efficiënte pad tussen twee punten op een gekromd oppervlak. In de context van kwantumcontrole is het "oppervlak" de ruimte van alle mogelijke toestanden waarin een kwantumsysteem zich kan bevinden, en het "pad" is de reeks controlesignalen die worden gebruikt om het systeem van het startpunt naar een gewenste operatie te bewegen. De onderzoekers pasten deze methode toe op een realistisch model van twee supergeleidende qubits die verbonden zijn door een regelbare koppler (tunable coupler), een apparaat dat de qubits in staat stelt om te interageren wanneer dat nodig is. Door de elektrische pulsen die de qubits aansturen zorgvuldig vorm te geven, vonden zij een manier om logische operaties uit te voeren met een veel hogere nauwkeurigheid en aanzienlijk minder lekkage dan eerdere methoden, vooral wanneer de operaties zeer snel moeten worden voltooid.
De onderzoekers testten hun aanpak op twee specifieke soorten operaties. De eerste was een eenvoudige rotatie van een enkele qubit, vergelijkbaar met het opgooien van een munt, en de tweede was een twee-qubit swap-operatie, waarbij de toestanden van twee qubits worden uitgewisseld. In de tests met een enkele qubit vergeleken ze hun nieuwe pulsen met standaardtechnieken die momenteel in het vakgebied worden gebruikt, zoals Gaussische pulsen en een methode bekend als DRAG, die is ontworpen om lekkage te corrigeren. De resultaten waren opmerkelijk. Voor zeer korte pulsen, die ongeveer 17 nanoseconden duren, produceerde hun nieuwe methode gate-fideliteiten die bijna perfect waren, reikend tot een niveau van 0,9996. Belangrijker nog, het verminderde de snelheid van lekkagefouten tot een niveau dat in essentie alleen wordt beperkt door de onvermijdelijke thermische ruis van de omgeving. Dit betekent dat voor deze snelle operaties de nieuwe methode zo goed is als het enigszien kan, waarbij het de standaard DRAG-pulsen overtreft die moeite hadden om de nauwkeurigheid bij zulke korte duur te behouden.
Toen het team overging naar de complexere twee-qubit swap-operatie, waren de resultaten even veelbelovend, hoewel met een lichte trade-off. Zonder externe controle kon de natuurlijke interactie tussen de qubits de swap uitvoeren in ongeveer 79,5 nanoseconden, maar met een fideliteit van slechts ongeveer 0,95. Door hun geoptimaliseerde pulsen toe te passen, slaagden de onderzoekers erin de fideliteit te verhogen naar 0,9942. Deze verbetering ging ten koste van het verlengen van de operatietijd met slechts 6 nanoseconden, waardoor de totale duur uitkwam op 86 nanoseconds. Hoewel de lekkagesnelheid iets toenam vergeleken met de ongecontroleerde versie, was de winst in algehele nauwkeurigheid aanzienlijk. Het cruciale inzicht hier is dat de controlepulsen fungeren als realtime correcties, die de frequenties van de qubits fijn afstemmen terwijl de swap plaatsvindt om ervoor te zorgen dat de uitwisseling schoon en precies verloopt.
Een cruciaal onderdeel van het succes van de onderzoekers was hoe zij de controlesignalen vormgaven. In veel methoden voor kwantumcontrole worden de elektrische pulsen zeer abrupt aan- en uitgezet. Deze plotselinge verandering creëert een brede spreiding van frequenties die de qubits per ongeluk naar die ongewenste hogere energietoestanden kunnen exciteren. De nieuwe methode dwingt de pulsen om geleidelijk op te komen en af te nemen, beginnend en eindigend bij een amplitude van nul. Deze vloeiendheid voorkomt de brede frequentiespreiding, waardoor de qubits gefocust blijven op de beoogde transitie. De onderzoekers bereikten dit door hun wiskundige zoektocht aan te passen door een specifieke beperking (constraint) toe te voegen die ervoor zorgt dat de pulsen zacht zijn aan het begin en het einde. Zij ontdekten dat deze vloeiendheid essentieel was voor het minimaliseren van fouten, vooral wanneer de operaties in een fractie van een microseconde moesten worden voltooid.
De studie werd uitgevoerd via gedetailleerde numerieke simulaties gebaseerd op de fysieke parameters van echte supergeleidende kwantumcomputers, specifiek die van IQM. Het team modelleerde de qubits met drie energieniveaus om rekening te houden met de mogelijkheid van lekkage, en zij voegden de effecten van thermische dissipatie toe, wat het natuurlijke verlies van energie aan de omgeving is. Hoewel de resultaten momenteel beperkt zijn tot deze simulaties, bieden ze een sterk theoretisch fundament voor toekomstige experimenten. De onderzoekers merkten op dat de grootste uitdaging voor praktische implementatie de capaciteit van de huidige elektronische apparatuur zal zijn om deze precieze, vloeiende pulsen met de vereiste nauwkeurigheid te genereren. Echter, de bevindingen suggereren dat als de hardware kan meekomen, deze op geodesen gebaseerde benadering een standaardinstrument kan worden voor het bouwen van meer betrouwbare kwantumcomputers, waarbij een manier wordt geboden om snelle, hoogwaardige operaties uit te voeren zonder de straf van informatieverlies door lekkage.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.