Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer die problemen kan oplossen die buiten het bereik van klassieke machines liggen, worden wetenschappers geconfronteerd met een meedogenloze vijand: ruis. Kwantuminformatie is ongelooflijk fragiel en wordt gemakkelijk verstoord door de kleinste trilling of fluctuatie in de omgeving. Om deze delicate data te beschermen, hebben onderzoekers een strategie ontwikkeld die foutcorrectie wordt genoemd. In plaats van te proberen de fysieke componenten perfect te maken, verspreiden ze één stuk informatie, bekend als een logische qubit, over vele fysieke componenten. Als één deel faalt, kan het systeem de fout detecteren en herstellen zonder de informatie te vernietigen. Een veelbelovende aanpak maakt gebruik van licht dat gevangen zit in een microgolfcaviteit, waarbij gegevens worden opgeslagen in het aantal fotonen, of lichtdeeltjes, die binnenin rondstuiteren. Om te controleren of de data nog veilig is, heeft het systeem een helper nodig, een klein kwantumapparaat genaamd een ancilla, die fungeert als een sensor om de staat van het licht te lezen zonder het direct aan te raken.

Jarenlang hebben ingenieurs vertrouwd op een specifiek type helper, een supergeleidend circuit bekend als een transmon, die zo is afgestemd dat de energieniveaus op een zeer precieze manier overeenkomen met het licht. Deze overeenkomst werd beschouwd als een perfect schild. De theorie hield in dat als de helper een fout maakte en naar een lagere energietoestand zakte, het systeem dit onmiddellijk zou weten en het kon corrigeren, of dat bepaalde gevaarlijke fouten fysiek onmogelijk waren vanwege de regels van symmetrie die het systeem beheersen. Dit ontwerp is gebruikt in echte kwantumprocessors, zoals de Ocelot-repetitiecode ontwikkeld door onderzoekers van AWS, waar het erin slaagde informatie gedurende milliseconden op te slaan. De heersende aanname was dat de fouten van de helper onafhankelijk waren van de hoeveelheid licht die werd opgeslagen; hoe meer licht er was, hoe beter de bescherming, en het gedrag van de helper bleef constant.

Echter, een nieuwe analyse door Aleksandr Gulkanov van Rice University suggereert dat dit schild een verborgen barst heeft. Door nauwkeurig te kijken naar hoe de helper interageert met het licht in de caviteit, ontdekte de onderzoeker dat de fotonen die bedoeld zijn om de data te beschermen, juist een specifie een bepaald type falen in de helper kunnen triggeren. De studie laat zien dat wanneer de caviteit gevuld is met fotonen, de helper een transitie kan ondergaan die voorheen als verboden werd beschouwd. In dit proces zakt de helper naar een lagere energietoestand terwijl hij tegelijkertijd een foton toevoegt aan het lichtveld. Cruciaal is dat dit evenement plaatsvindt zonder enig waarschuwingssignaal naar de computer. Het systeem weet niet dat er een fout is opgetreden, en omdat de toestand van de helper verandert op een manier die de data in verwarring brengt, draait het de opgeslagen informatie om. Dit is een stille fout, een die de computer niet kan detecteren of herstellen.

De onderzoekers stelden dit idee niet alleen theoretisch voor; ze bouwden een gedetailleerd model van het werkelijke Ocelot-apparaat om te zien hoe deze verborgen kanaal zich in een echte machine zou gedragen. Ze ontdekten dat de snelheid van deze stille fouten direct afhangt van het aantal fotonen in de caviteit. Naarmate de hoeveelheid opgeslagen licht toeneemt, groeit de waarschijnlijkheid van dit specifieke falen. Dit is een significante afwijking van eerdere modellen, die ervan uitgingen dat de foutensnelheid vlak zou blijven, ongeacht de lichtintensiteit. In hun simulaties observeerde het team dat voor het Ocelot-apparaat de kans op een bitflip veroorzaakt door dit mechanisme lineair toeneemt naarmate het aantal fotonen stijgt van vier naar tien. Deze groei betekent dat het simpelweg toevoegen van meer licht om de code sterker te maken, uiteindelijk tegen een muur aanloopt. In plaats van dat de foutensnelheid, zoals gehoopt, exponentieel blijft dalen, begint deze te klimmen, wat een bodem creëert waaronder het systeem niet kan zakken.

Deze ontdekking daagt het huidige begrip van het optimaliseren van deze kwantumcodes uit. De studie geeft aan dat er een optimale grootte is voor de lichtopslag, een specifiek aantal fotonen waarbij de foutensnelheid het laagst is. Voorbij dit punt, door te proberen meer licht op te slaan om meer bescherming te verkrijgen, wordt het systeem juist kwetsbaarder voor dit specifieke type ruis. De onderzoekers berekenden dat voor de apparaten die momenteel in gebruik zijn, deze limiet de capaciteit van het systeem om verschillende soorten fouten te onderscheiden effectief kan beperken, wat de prestaties van de computer begrenst. Ze merkten ook op dat hoewel het effect klein is in huidige experimenten, die slechts tot vier fotonen zijn getest, de trend duidelijk is in hun model. Als de technologie opschaalt om meer licht op te slaan, zal deze stille foutmodus de dominante bron van fouten worden, die andere bekende problemen overtreft.

Het artikel onderzoekt ook waarom dit gebeurt. Het blijkt dat de helper en het licht niet alleen naast elkaar zitten, maar diep met elkaar verweven zijn. De aanwezigheid van het licht verandert het energielandschap van de helper, waardoor een pad voor verval ontstaat dat geblokkeerd is wanneer het licht afwezig is. Dit pad wordt gedreven door elektrische ruis, een veelvoorkomend achtergrondgezoem in deze circuits. Wanneer het licht aanwezig is, werkt het als een katalysator die de helper stimuleert om een sprong te maken die hij uit zichzelf niet zou maken. De onderzoekers toonden aan dat dit effect onvermijdelijk is voor het specifieke type helper dat momenteel wordt gebruikt, ongeacht hoe sterk de verbinding tussen de helper en het licht is. De enige manieren om dit risico te verminderen zijn door het ontwerp van de helper te veranderen, een ander type circuit volledig te gebruiken, of te accepteren dat er een limiet is aan hoeveel licht gebruikt kan worden voor bescherming.

De bevindingen hebben directe implicaties voor het ontwerp van toekomstige kwantumcomputers. Ingenieurs die van plan waren de omvang van deze lichtgebaseerde codes te vergroten om hun prestaties te verbeteren, moeten mogelijk hun strategieën heroverwegen. De studie suggereert dat het streven naar grotere codes zonder dit specifieke contact aan te pakken, kan leiden tot verminderde rendementen of zelfs slechtere prestaties. De onderzoekers benadrukken dat hun werk een simulatie is gebaseerd op de bekende fysica van het Ocelot-apparaat, gekalibreerd tegen statische metingen van de hardware. Hoewel de werkelijke groei van fouten nog niet is waargenomen in experimenten, omdat de huidige apparaten niet met genoeg licht zijn getest om de trend te zien, is het theoretische kader robuust. Het model voorspelt dat als de experimenten zouden worden uitgebreid naar hogere fotonenaantallen, de foutensnelheid zou stijgen, wat het bestaan van dit nieuwe kanaal bevestigt.

Uiteindelijk dient dit werk als een herinnering dat in kwantumsystemen de instrumenten die worden gebruikt om informatie te beschermen, soms de bron van de vernietiging ervan kunnen worden. De fotonen die de code stabiliseren, openen ook een deur waardoor ruis naar binnen kan glippen. Door dit mechanisme te identificeren, biedt de studie een duidelijk doel voor toekomstige verbeteringen. Het vertelt onderzoekers dat ze, om betere kwantumcomputers te bouwen, verder moeten kijken dan het eenvoudige idee van "meer licht is beter" en in plaats daarvan moeten focussen op de complexe dans tussen de helper en de data die hij bedoeld is te beschermen. De weg vooruit houdt in ofwel het herontwerpen van de helper om deze interactie te vermijden, of het vinden van nieuwe manieren om de ruis te beheren die dit aandrijft, om er zeker van te zijn dat de volgende generatie kwantummachines werkelijk het vermogen van licht kan benutten zonder slachtoffer te worden van zijn eigen aanwezigheid.