High-fidelity and robust controlled-Z gates for superconducting transmon qubits. II. System-parameter uncertainties and overall errors

In de race om een machine te bouwen die problemen kan oplossen die buiten het bereik liggen van de krachtigste computers van vandaag, wenden wetenschappers zich tot een technologie die steunt op de vreemde regels van de kwantummechanica. De kern van deze inspanning bestaat uit minuscule circuits gemaakt van supergeleidend metaal, gekoeld tot temperaturen kouder dan de diepe ruimte. Deze circuits fungeren als kunstmatige atomen, bekend als qubits, die informatie kunnen vasthouden in een staat van superpositie, waarbij ze in meerdere mogelijkheden tegelijk bestaan. Om deze machines bruikbaar te maken, moeten de qubits met elkaar communiceren en logische operaties uitvoeren die hun toestanden aan elkaar koppelen. Een van de meest cruciale operaties is een poort die de staat van één qubit omdraait, maar alleen als zijn partner zich in een specifieke conditie bevindt, een proces dat bekend staat als een controlled-Z gate. Voor een kwantumcomputer om betrouwbaar te werken, moeten deze poorten ongelooflijk snel en ongelooflijk nauwkeurig zijn. De fysieke wereld is echter chaotisch. De materialen die worden gebruikt om deze circuits te bouwen zijn nooit perfect, en de omgeving is nooit perfect stil. Minuscule variaties in de manier waarop de qubits zijn gemaakt, of lichte verschuivingen in hun frequenties in de loop van de tijd, kunnen ervoor zorgen dat de poort faalt. Als een computer perfecte kennis vereist van elk afzonderlijk onderdeel om te kunnen functioneren, zal het onmogelijk zijn om op te schalen naar de duizenden qubits die nodig zijn voor praktische toepassingen. De uitdaging is daarom niet alleen om een snelle poort te bouwen, maar om een poort te bouwen die robuust genoeg is om te blijven werken, zelfs wanneer de hardware licht imperfect is of de omstandigheden veranderen.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe strategie ontwikkeld om dit probleem op te lossen, door een methode te creëren om deze kwantumpoorten zo te ontwerpen dat ze bestand zijn tegen de onvermijdelijke onzekerheden van de fysieke wereld. In een begeleidende studie hadden zij al uitgezocht hoe ze deze poorten snel en resistent tegen willekeurige ruis uit de omgeving konden maken. In dit nieuwe werk richtten zij hun aandacht op de andere kant van het probleem: de onzekerheid in de hardware zelf. Zij vroegen zich af wat er gebeurt als de sterkte van de verbinding tussen twee qubits niet exact is zoals de ingenieurs dachten, of als de natuurlijke frequenties van de qubits iets afwijken door productieverschillen. Zij ontdekten dat deze fouten in twee verschillende categorieën vallen, die elk een ander soort verdediging vereisen. Eén type fout komt voort uit de sterkte van de verbinding tussen de qubits, terwijl de andere voortkomt uit fouten in de energieniveaus van de qubits zelf. Door deze twee problemen apart te behandelen, ontwierp het team besturingspulsen — precieze sequenties van magnetische signalen — die beide typen fouten gelijktijdig konden neutraliseren.

De onderzoekers ontdekten dat de fouten gerelateerd aan de verbindingssterkte onderdrukt kunnen worden door de frequentie van de qubits snel te moduleren. Stel je voor dat je een zwaar object snel heen en weer schudt om te voorkomen dat het in een positie terechtkomt waar het zou kunnen omvallen; op een vergelijkbare manier zorgt het oscilleren van de qubitfrequenties ervoor dat het systeem de fouten veroorzaakt door een onnauwkeurige verbindingssterkte effectief middelt. Deze techniek, bekend als dynamical decoupling, stelde hen in staat om de fout veroorzaakt door koppelingsonzekerheden te verminderen tot een niveau van 6,21 × 10⁻⁷ voor een poort die 30 nanoseconden duurt om te voltooien. Dit is een enorme verbetering ten opzichte van standaardmethoden, die onder dezelfde omstandigheden zouden falen. Met deze strategie kan de poort variaties in de verbindingssterkte van tot 2π × 4 MHz tolereren en nog steeds een hoog niveau van nauwkeurigheid behouden. Dit betekent dat ingenieurs niet de verbinding tussen elk paar qubits met extreme precisie hoeven te meten, noch hoeven ze het systeem constant te kalibreren wanneer de hardware drift vertoont.

Het tweede type fout, voortkomend uit onzekerheden in de energieniveaus van de qubits, vereiste een andere aanpak. In plaats van het systeem te laten schudden, vonden de onderzoekers een specifiek "sweet spot" waar de poort opereert. Zij identificeerden een punt waar de detuning, oftewel het verschil in frequentie tussen de qubits, op een zodanige manier gebalanceerd is dat de poort ongevoelig is voor kleine verschuivingen in energie. Door nabij dit symmetrische punt te opereren, wordt de poort van nature resistent tegen fouten in de anharmoniciteit en de zero-flux frequenties van de qubits. Voor een poort van 24 nanoseconden laat deze methode het systeem toe om individuele onzekerheden van tot 2π × 5 MHz in deze parameters te tolereren. Deze bevinding is cruciaal omdat het aantoont dat door de juiste werkpunt te kiezen, de poort accuraat kan blijven, zelfs als de hardware niet perfect gekarakteriseerd is.

Het team stopte niet bij het bekijken van deze fouten in isolatie. Zij combineerden hun nieuwe robuustheidsstrategieën met hun eerdere werk over ruis en decoherentie om te simuleren hoe deze poorten zouden presteren over zes verschillende stadia van hardwareverbetering. Zij stelden zich een toekomst voor waarin de materialen beter worden, de ruis stiller wordt en de onzekerheden kleiner worden. In de vroegste stadia, waar de hardware ruiziger en minder stabiel is, is de beste strategie om de poort zo snel mogelijk te maken, zelfs als deze iets minder robuust is, omdat de tijd die wordt doorgebracht met opereren het systeem blootstelt aan te veel omgevingsruis. Echter, naarmate de hardware verbetert en de ruis afneemt, verschuift de balans. De onderzoekers ontdekten dat het in meer geavanceerde stadia beter is om iets meer tijd te nemen om een langere, robuustere poort uit te voeren. In het meest geavanceerde stadium dat zij overwogen, waar de hardware zeer verfijnd is, bereikte hun geoptimaliseerde poort een intrinsieke fout van 1,93 × 10⁻⁸ en een totale fout van 4,55 × 10⁻⁶. Op dit niveau worden de resterende fouten primair beperkt door het natuurlijke energieverlies van de qubits, een fundamentele fysieke limiet.

Dit werk biedt een praktisch stappenplan voor het bouwen van grootschalige kwantumprocessors. Het demonstreert dat door de besturingspulsen zo te ontwerpen dat ze intrinsiek minder gevoelig zijn voor parameter-variaties, wetenschappers de last van kalibratie kunnen verminderen. In plaats van elke afzonderlijke component met extreme precisie te moeten meten en aanpassen, wat onmogelijk wordt naarmate het aantal qubits naar duizenden groeit, kan het systeem zo worden ontworpen dat het goed werkt over een breed scala aan condities. De resulterende poorten zijn sneller, nauwkeuriger en veel vergevingsgezinder voor de imperfecties die gepaard gaan met real-world productie. Door snelheid, getrouwheid en robuustheid in balans te brengen, biedt dit kader een pad vooruit om kwantumcomputers te maken die niet alleen theoretische mogelijkheden zijn, maar praktische instrumenten die betrouwbaar kunnen worden onderhouden en bediend.