Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

构建能够解决当今机器无法处理的问题的计算机，需要对信息存储方式进行根本性的转变。在量子世界中，基本数据单元是脆弱的；它极易受到微弱热量或电磁噪声的干扰，导致计算崩溃。为了制造可靠的机器，科学家必须找到一种保护这些信息的方法，而无需使用庞大的额外组件来不断进行检查和纠正。一种极具前景的方法是将数据编码在单个粒子中，而是编码在被困在微型电路中的光粒子（即光子）的集体行为中。这些“猫比特”（cat qubits）是以一个著名的关于猫同时处于生与死状态的思想实验命名的；在这种语境下，该比特同时存在于两种截然不同的状态之中。这种设计的精妙之处在于，它天生能够抵抗一种被称为“比特翻转”（bit-flip）的错误，即状态意外地从一种跳变到另一种。然而，它仍然容易受到另一种错误——“相位翻转”（phase-flip）的影响，这种错误会扰乱两种状态之间的关系。挑战一直在于如何在增强对第一种错误防护能力的同时，不使第二种错误变得更严重，这是一个难以实现的平衡。

由 Alice & Bob 团队及其来自法国多个研究机构合作伙伴组成的科研小组发现了一种显著向其倾斜的方法。他们采用了这些基于光的比特的标准设计，并对其使用的光态应用了一种特定的变形。想象一下，标准比特的两个状态是数学空间中漂浮着的两个截然不同的圆形概率云。在新的设计中，研究人员挤压了这些云团，将它们拉伸成看起来像新月形状的长条形。这种简单的几何变化是通过向现有的设备添加一种特定类型的信号实现的，它使得两个状态之间的距离变得更远，从而使其极难发生混淆，同时保持对另一种错误类型的稳定性不变。

实验结果令人瞩目。研究人员测量了比特意外翻转其状态所需的时间。在标准、未变形版本的比特中，这种错误大约每 138 毫秒发生一次。而在他们新的、“月亮猫”挤压版本中，比特在发生类似错误前能保持状态长达 22 秒。这代表了 160 倍的稳定性提升。至关重要的是，这种巨大的增益并没有以增加对另一种错误的脆弱性为代价；由于相位翻转导致的错误率几乎保持不变，两者都持续约 1.3 微秒。这意味着研究人员成功地让比特对一种特定的失效模式变得更加鲁棒，而没有削弱其对另一种错误的防御。

团队还测试了这些新比特在执行工作时的表现，具体是通过运行一个逻辑门（即计算机处理信息的各种基本操作）。他们发现，挤压后的比特不仅在闲置时能保持更长时间的状态，而且在执行这些操作时速度更快、精度更高。门操作的速度更快，且在计算过程中发生错误的概率显著下降。研究人员观察到，光态的新形状使得系统在快速移动过程中不容易意外“泄漏”出安全区域，从而进一步减少了错误。这种改进非常显著，与标准设计相比，在门操作期间发生比特翻转错误的整体概率降低了 220 倍。

这项发现之所以特别重要，是因为它不需要构建一台新机器，也不需要改变电路的物理布局。研究人员使用了与之前实验相同的超导芯片和基本组件。他们只是在现有设置中添加了第二个控制信号——一种特定的泵浦频率（pump frequency），以产生挤压效应。这表明，通往更强大的量子计算机之路并不总是需要发明全新的硬件，而是要寻找更好的方法来塑造系统中已有的信息。通过仔细调节量子态的形状，团队证明了通过优化标准设计的局限，实现超越以往预期的误差保护水平是完全可能的。

研究人员指出，虽然挤压过程引入了极其轻微的另一种错误率上升，但与在比特翻转稳定性方面的巨大收益相比，这种损失可以忽略不计。他们还观察到，随着系统中光子数量的增加，稳定性的提升也随之迅速增长，其遵循的模式比标准、非挤压设计的理论极限要陡峭得多。这表明，随着这些系统的规模扩大，这种技术的优势可能会变得更加强大。这项工作提供了一种增强量子处理器性能的清晰且实用的方法，使实现容错量子计算（即机器可以在无需持续纠错的情况下运行复杂算法）的目标离现实更近了一步。