Controlled-Z Gates via Floquet Coupling to Two Auxiliary States in Transmon Circuits

Het bouwen van een kwantumcomputer vereist een delicaat evenwicht. In de kern ligt de noodzaak om individuele kwantumbits, of qubits, met elkaar te verbinden, zodat ze informatie kunnen delen en samen problemen kunnen oplossen. Deze verbinding wordt gerealiseerd door speciale operaties die poorten (gates) worden genoemd, de fundamentele bouwstenen van elke berekening. Onder deze poorten is de controlled-Z-poort bijzonder belangrijk omdat deze een specif kind van verbinding tussen twee qubits creëert die niet kan worden gemaakt door ze afzonderlijk aan te sturen. Zonder hoogwaardige versies van deze poort kunnen de complexe circuits die nodig zijn voor krachtig kwantumcomputergebruik niet functioneren. De uitdaging voor wetenschappers is om deze verbindingsoperatie snel en nauwkeurig uit te voeren, zonder de fragiele kwantumtoestanden te verstoren of fouten te veroorzaken die de berekening ruïneren.

In een recente studie hebben onderzoekers een nieuwe manier aangetoond om deze essentiële poorten te creëren met behulp van supergeleidende circuits, een leidende technologie voor het bouwen van kwantumcomputers. Ze richtten zich op een methode die de natuurlijke energieniveaus van de hardware in hun voordeel gebruikt. In plaats van de qubits te behandelen als eenvoudige aan/uit-schakelaars, maakte het team gebruik van hogere energietoestanden die normaal gesproken ongebruikt blijven. Door een specifieke, ritmische modulatie aan het systeem toe te passen, waren zij in staat om selectief verbindingen tussen deze verborgen toestanden te activeren, terwijl ze ongewenste interacties stil hielden. Deze aanpak stelde hen in staat om een controlled-Z-poort met buitengewone precisie te ontwerpen, waarbij een gemiddelde nauwkeurigheid van meer dan 99,99% werd bereikt in hun computer simulaties. Het werk biedt een nieuwe weg om kwantumprocessors betrouwbaarder en schaalbaarder te maken.

De onderzoekers werkten met een opstelling bestaande uit twee supergeleidende circuits, bekend als transmons, die aan elkaar gekoppeld zijn via een regelbare link. In een standaardscenario interageren deze circuits op een manier waarbij ze energie heen en weer wisselen, maar het team wilde deze eenvoudige uitwisseling juist vermijden. In plaats daarvan wilden ze twee specifieke, hogere energietoestanden gebruiken die buiten het normale rekenbereik liggen. Hiervoor pasten ze een longitudinale drive toe, wat een ritmisch schudden is van het frequentieverschil tussen de twee qubits. Dit schudden werkt als een filter, dat de gewenste verbindingen naar de hogere energietoestanden aanzet, terwijl het tegelijkertijd de ongewenste uitwisseling tussen de basis-toestanden uitschakelt. Deze selectieve activatie is de kern van hun methode, waardoor ze het systeem door een precieze sequentie van veranderingen kunnen leiden.

Het team ontwikkelde twee verschillende protocollen om de poortoperatie te voltooien, die beide steunen op deze selectieve koppeling. De eerste methode is een snel, niet-adiabatisch proces. In deze aanpak wordt het systeem snel in een superpositie van de twee hogere energietoestanden geduwd en vervolgens teruggebracht naar de oorspronkelijke staat. Deze ronde reis laat een specifieke fase-afdruk achter op de qubits, wat effectief de poortoperatie uitvoert in slechts 72 nanoseconden. De tweede methode is langzamer en meer weloverwogen, bekend als een adiabatische evolutie. Hierbij wordt het systeem geleidelijk langs een pad geleid waar het zich in een "donkere staat" bevindt, een speciale conditie waarin het beschermd is tegen bepaalde soorten fouten. Dit proces duurt langer, ongeveer 277 nanoseconden, maar bereikt ook hetzelfde hoge niveau van nauwkeurigheid. Beide methoden werden getest in gedetailleerde simulaties die de volledige complexiteit van het fysieke circuit bevatten, waarmee werd bevestigd dat de poorten naar behoren werken, zelfs wanneer rekening wordt gehouden met imperfecties in de echte wereld.

Een aanzienlijk deel van de studie bestond uit het verkennen van hoe de timing en de vorm van de modulatie aangepast kunnen worden om de robuustheid van de poort te verbeteren. De onderzoekers ontdekten dat ze door de fase van de ritmische drive te controleren, verschillende soorten geometrische poorten konden creëren. Een hiervan, een onconventionele versie, bleek toleranter te zijn voor kleine fouten in de qubit-frequenties en ongewenste interacties tussen hen. Dit suggereert dat het pad dat het systeem tijdens de operatie aflegt, net zo belangrijk is als de bestemming. Door het juiste pad te kiezen, wordt de poort veerkrachtiger tegen de ruis en variaties die onvermijdelijk zijn in fysieke hardware. Deze flexibiliteit voegt een nieuwe laag van controle toe voor ingenieurs die toekomstige kwantumprocessors ontwerpen.

De studie onderzocht ook hoe deze poorten zouden reageren in een groter systeem met naburige qubits. In een echte kwantumcomputer moet een poort die op één paar qubits werkt, niet per ongeluk de anderen in de buurt verstoren. De simulaties toonden aan dat zelfs met actieve buren, de nieuwe poortprotocollen hun hoge getrouwheid (fidelity) behielden. Echter, de prestaties waren enigszins afhankelijk van de specifieke frequenties en toestanden van die naburige qubits. Deze bevinding benadrukt dat, hoewel de poort robuust is, het algemene ontwerp van een kwantumprocessor nog steeds zorgvuldige planning vereist van hoe frequenties aan verschillende delen van de chip worden toegewezen. De resultaten bevestigen dat de methode goed werkt in een drukke omgeving, mits de omliggende componenten correct worden beheerd.

Uiteindelijk vestigt dit werk een verenigd kader voor het creëren van controlled-Z-poorten door twee hulpstoestanden (auxiliary states) gelijktijdig te benutten. Het gaat verder dan eerdere methoden die vertrouwden op een enkele extra toestand of verschillende soorten interacties. Door een ritmische drive te gebruiken om selectief twee hogere energieniveaus te activeren, hebben de onderzoekers aangetoond een manier te vinden om poort-getrouwheid te bereiken die voldoet aan de strikte eisen voor foutcorrectie. Het vermogen om te schakelen tussen snelle, niet-adiabatische operaties en tragere, meer beschermde adiabatische paden geeft ontwerpers meer instrumenten om hun systemen te optimaliseren. Naarmate het vakgebied beweegt naar het bouwen van grotere en complexere kwantumcomputers, zal een dergelijke precieze controle over interacties essentieel zijn om theoretisch potentieel om te zetten in praktische realiteit.