Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

In de race om een praktische kwantumcomputer te bouwen, worden wetenschappers geconfronteerd met een hardnekkige paradox. Om berekeningen uit te voeren, moeten ze delicate kwantumbits, of qubits, met extreme precisie aansturen. Toch introduceert de handeling van het aansturen zelf vaak de ruis die de informatie die zij bevatten, vernietigt. Deze ruis komt vaak voort uit de omgeving in de vorm van laagfrequente elektrische fluctuaties, een achtergrondgezoem dat bijna onmogelijk te elimineren is in vaste stoffen. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd hun qubits af te schermen van deze interferentie, vaak door ze zo te ontwerpen dat ze minder gevoelig zijn voor lading. Deze aanpak gaat echter meestal ten koste van iets: het maakt de qubits trager aan te sturen of moeilijker met elkaar te verbinden. De uitdaging is geweest om een manier te vinden om de kwantuminformatie te beschermen tegen deze laagfrequente ruis zonder het snelheid en de connectiviteit op te offeren die nodig zijn voor complexe berekeningen.

Een team van onderzoekers aan de University of California, Berkeley, en samenwerkende instellingen heeft een slimme oplossing gevonden door de manier waarop ze het systeem aansturen te veranderen. In plaats van te proberen de ruis te blokkeren of de qubits volledig immuun te maken, gebruikten ze een sterke, snelle elektrische drive om de qubits effectief op hun plaats te vergrendelen, een techniek die bekend staat als spin-locking. Ze demonstreerden dit met behulp van een specifiek type supergeleidend circuit genaamd een Kerr-oscillator, die fungeert als een kwantumbit. Door een lading-drive toe te passen op een frequentie net onder één gigahertz, ontdekten ze een unieke eigenschap: het circuit wordt bijna blind voor de trage, laagfrequente ruis die normaal gesproken fouten veroorzaakt, terwijl het zeer responsief blijft voor de snelle drivesignalen die nodig zijn voor operaties. Deze aanpak stelde hen in staat om hun kwantumbits in slechts 82 nanoseconden te resetten, waarbij ze ze afkoelden naar een staat met minder dan 0,7 procent van de ongewenste energie die gewoonlijk in deze systemen achterblijft. Bovendien, door een enkele logische bit te coderen over twee van deze oscillatoren, creëerden ze een dual-rail qubit die van nature bevooroordeeld is naar een specifiek type fout. Dit betekent dat wanneer er een fout optreedt, deze veel grotere kans heeft een detecteerbare 'erasure' (uitwissing) te zijn in plaats van een stille corruptie van gegevens, een onderscheid dat het corrigeren van fouten aanzienlijk gemakkelijker maakt.

De kern van deze doorbraak ligt in de manier waarop de frequentie van het drivesignaal interageert met het circuit. De onderzoekers ontdekten dat de gevoeligheid van hun kwantumoscillator voor ladingsruis niet constant blijft; in plaats daarvan groeit deze snel naarmate de frequentie van de drive toeneemt. Specifiek schaalt de gevoeligheid met het kwadraat van zowel de frequentie als de sterkte van de drive. Deze relatie is cruciaal omdat de schadelijke ruis in hun omgeving een patroon volgt waarbij lage frequenties veel sterker zijn dan hoge frequenties. Door het systeem aan te sturen op een frequentie nabij één gigahertz, duwden de onderzoekers het systeem in een regime waarin het sterk gekoppeld is aan hun besturingssignalen, maar opmerkelijk ongevoelig blijft voor de laagfrequente ruis die deze apparaten gewoonlijk teisteren. Ze verifieerden dit door te meten hoe de energieniveaus van de oscillator verschoven onder verschillende drive-condities, waarbij ze observeerden dat de verschuiving kwadratisch toenam met de drive-parameters. Dit bevestigde dat het systeem effectief de trage, verstorende fluctuaties filterde terwijl het open bleef voor de snelle, nuttige commando's.

Om te bewijzen dat dit concept in de praktijk werkt, richtte het team zich eerst op de fundamentele taak van het resetten van de kwantumbit. In kwantumcomputing is het essentieel om met een schone lei te beginnen, maar thermische energie laat het systeem vaak in een gemengde staat achter. Met behulp van de laagfrequente lading-drive waren ze in staat om de energie van de kwantumbit razendsnel over te wisselen naar een verliezende resonator, waardoor de warmte effectief werd afgevoerd. Dit proces duurde slechts 8ks 82 nanoseconden en verminderde de populatie van aangeslagen toestanden tot onder de 0,7 procent. Dit resultaat was significant omdat het lager was dan het natuurlijke thermische evenwicht van het systeem, dat op 2,5 procent lag. De snelheid en efficiëntie van dit resetproces toonden aan dat de drive de kwantumbit met hoge getrouwheid kon manipuleren zonder de overtollige fouten te introduceren die vaak gepaard gaan met dergelijke snelle operaties.

Voortbouwend op dit, codeerden de onderzoekers een logische qubit met behulp van twee van deze oscillatoren, waardoor een zogenaamde dual-rail qubit ontstond. In deze opstelling wordt de informatie opgeslagen in de aanwezigheid van een enkel foton dat gedeeld wordt tussen de twee circuits. Als een van de circuits zijn foton verliest, valt het systeem in een grondtoestand die gemakkelijk te detecteren is, in plaats van dat de informatie wordt verstoord in een onbekende staat. Deze eigenschap, een 'erasure bias' genoemd, is zeer wenselijk omdat het een moeilijk te detecteren fout verandert in een bekende fout die kan worden weggegooid of gecorrigeerd. Het team toonde aan dat hun dynamische beschermingsschema deze bias met een factor vier versterkte. Wanneer ze willekeurige sequenties van logische operaties uitvoerden, bekend als Clifford-gates, werd de foutmarge per gate gemeten op 5,6 × 10⁻⁴. Na het filteren van de runs waar een erasure werd gedetecteerd, daalde de foutmarge zelfs naar 1,5 × 10⁻⁴. Deze cijfers werden bereikt met gate-tijden van slechts 25 nanoseconden, wat aangeeft dat het beschermingsmechanisme de berekening niet vertraagt.

Het succes van dit experiment suggereert dat de afruil tussen ruisbescherming en operationele snelheid kan worden overwonnen door gebruik te maken van de frequentieafhankelijkheid van de respons van het systeem. De onderzoekers merkten op dat hoewel de ruwe foutmarge momenteel wordt beperkt door de natuurlijke levensduur van de oscillatoren, het potentieel voor verbetering aanzienlijk is. Ze wezen erop dat de huidige opstelling slechts één controle aan het einde van een sequentie gebruikt om erasures te detecteren. Door een derde oscillator toe te voegen om als ancilla te dienen voor controles tijdens de berekening (mid-circuit checks), verwachten zij dat de foutmarges nog verder zullen dalen, waarbij mogelijk gebeurtenissen worden opgelost waarbij het systeem vervalt en vervolgens weer opwarmt. Dit werk biedt een duidelijk pad voorwaarts voor het gebruik van sub-gigahertz lading-drives om kwantuminformatie te beschermen, en biedt een robuuste methode voor het bouwen van hoogwaardige kwantumprocessors die effectief kunnen werken in de luidruchtige omgeving van een solid-state chip. De bevindingen bevestigen dat dynamische bescherming niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een praktisch hulpmiddel dat geïntegreerd kan worden in bestaande supergeleidende architecturen om hun prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren.