Rekordní přesnost u supravodivého qubitu díky rychlým řídicím metodám

Kvantové počítání slibuje řešení komplexních problémů exponenciálně rychleji než klasické počítače, a to využitím principů kvantové mechaniky pro kódování a manipulaci s informacemi v kvantových bitech (qubitech).

Qubity jsou stavebními kameny kvantového počítače. Jednou z výzev pro škálování je však to, že qubity jsou velmi citlivé na šum v pozadí a nedokonalosti řízení, které zavádějí chyby do kvantových operací a nakonec omezují složitost a dobu trvání kvantového algoritmu. Pro zlepšení situace se výzkumníci z MIT a z celého světa neustále zaměřují na zlepšování výkonu qubitů.

V nové práci s využitím supravodivého qubitu zvaného fluxonium vyvinuli výzkumníci z MIT na katedře fyziky, Výzkumné laboratoři elektroniky (RLE) a Katedře elektrotechniky a informatiky (EECS) dvě nové řídicí techniky, které dosáhly světového rekordu v přesnosti jednoho qubitu – 99,998 %. Tento výsledek doplňuje loňské předvedení přesnosti dvouqubitové brány na úrovni 99,92 % tehdejším výzkumníkem MIT Leonem Dingem (více zde).

Hlavními autory článku jsou David Rower PhD '24, nedávný postdoktorand fyziky ve skupině MIT Engineering Quantum Systems (EQuS) a nyní výzkumný pracovník v laboratoři Google Quantum AI; Leon Ding PhD '23 z EQuS, nyní vedoucí týmu pro kalibraci v Atlantic Quantum; a William D. Oliver, profesor elektrotechniky a informatiky a profesor fyziky, vedoucí EQuS, ředitel Centra pro kvantové inženýrství a přidružený ředitel RLE. Článek nedávno vyšel v časopise PRX Quantum.

Dekoherence a chyby z protiběžných rotací

Hlavní výzvou u kvantového počítání je dekoherence, proces, při kterém qubity ztrácejí své kvantové informace. U platforem, jako jsou supravodivé qubity, dekoherence brání dosažení vyšší přesnosti kvantových bran.

Kvantové počítače potřebují dosahovat vysoké přesnosti bran, aby mohly provádět trvalé výpočty pomocí protokolů, jako je kvantová korekce chyb. Čím vyšší je přesnost brány, tím snadněji se dá realizovat praktické kvantové počítání.

Výzkumníci z MIT vyvíjejí techniky, které umožní, aby kvantové brány, základní operace kvantového počítače, byly co nejrychlejší, aby se snížil dopad dekoherence. Jakmile se však brány zrychlí, může se objevit další typ chyby, která vzniká z protiběžných dynamik, a to kvůli způsobu řízení qubitů pomocí elektromagnetických vln.

Jednoqubitové brány se obvykle implementují pomocí rezonančního pulzu, který indukuje Rabiovy oscilace mezi stavy qubitu. Když jsou však pulzy příliš rychlé, „Rabiovy brány“ nejsou tak konzistentní kvůli nežádoucím chybám z protiběžných efektů. Čím rychlejší je brána, tím více se chyba protiběžné rotace projevuje. U qubitů s nízkou frekvencí, jako je fluxonium, chyby protiběžné rotace omezují přesnost rychlých bran.

„Zbavení se těchto chyb byla pro nás zábavná výzva,“ říká Rower. „Leon původně měl nápad použít kruhově polarizované mikrovlnné pohony, analogicky ke kruhově polarizovanému světlu, ale realizované řízením relativní fáze náboje a toku pohonů supravodivého qubitu. Takový kruhově polarizovaný pohon by byl ideálně imunní vůči chybám protiběžné rotace.“

Ačkoli Dingův nápad fungoval okamžitě, přesnosti dosažené s kruhově polarizovanými pohony nebyly tak vysoké, jak se očekávalo z měření koherence.

„Nakonec jsme narazili na nádherně jednoduchý nápad,“ říká Rower. „Pokud použijeme pulsy ve správný čas, měli bychom být schopni udělat chyby protiběžné rotace konzistentní z pulzu na pulz. To by umožnilo opravit chyby protiběžné rotace. Ještě lepší je, že by se automaticky zohlednily v našich obvyklých kalibracích Rabiových bran!“

Tuto myšlenku nazvali „souměrné pulsy“, protože pulsy musely být aplikovány v časech souměrných s intervaly určenými frekvencí qubitu prostřednictvím jeho inverze, časového období. Souměrné pulsy jsou definovány jednoduše časovými omezeními a lze je aplikovat na jeden lineární qubit pohon. Naproti tomu kruhově polarizované mikrovlnné vlny vyžadují dva pohony a nějakou dodatečnou kalibraci.

„Měl jsem velkou zábavu při vývoji souměrné techniky,“ říká Rower. „Byla jednoduchá, rozuměli jsme, proč tak dobře funguje, a měla by být přenosná na jakýkoli qubit, který trpí chybami protiběžné rotace!“

„Tento projekt ukazuje, že s chybami protiběžné rotace se dá snadno pracovat. To je skvělá věc pro qubity s nízkou frekvencí, jako je fluxonium, které vypadají stále slibněji pro kvantové počítání.“

Slib fluxonia

Fluxonium je typ supravodivého qubitu složený z kondenzátoru a Josephsonova spojení; na rozdíl od transmonových qubitů však fluxonium obsahuje také velký „superinduktor“, který konstrukčně pomáhá chránit qubit před šumem z prostředí. To vede k provádění logických operací, neboli bran, s větší přesností.

Přes vyšší koherenci má však fluxonium nižší frekvenci qubitu, která je obecně spojena s úměrně delšími branami.

„Zde jsme ukázali bránu, která patří k nejrychlejším a nejpřesnějším mezi všemi supravodivými qubity,“ říká Ding. „Naše experimenty skutečně ukazují, že fluxonium je qubit, který podporuje jak zajímavé fyzikální průzkumy, tak i absolutně dodržuje inženýrský výkon.“

V dalším výzkumu doufají, že odhalí nová omezení a povedou k ještě rychlejší a přesnější bráně.

„Dynamika protiběžné rotace byla v kontextu supravodivého kvantového počítání málo studována kvůli tomu, jak dobře aproximace rotující vlny drží v běžných scénářích,“ říká Ding. „Náš článek ukazuje, jak přesně kalibrovat rychlé brány s nízkou frekvencí, kde aproximace rotující vlny neplatí.“

Spolupráce fyziky a inženýrství

„Toto je skvělý příklad práce, kterou rádi děláme v EQuS, protože využívá základní koncepty jak ve fyzice, tak v elektrotechnice k dosažení lepšího výsledku,“ říká Oliver. „Staví na naší předchozí práci s neadiabatickým řízením qubitů, aplikuje ji na nový qubit – fluxonium – a vytváří krásné spojení s dynamikou protiběžné rotace.“

Vědecké a inženýrské týmy umožnily vysokou věrnost dvěma způsoby. Za prvé, tým demonstroval „souměrnou“ (synchronní) neadiabatickou kontrolu, která jde nad rámec standardní „aproximace rotující vlny“ standardních Rabiových přístupů. Tato metoda využívá myšlenky, které získaly Nobelovu cenu za fyziku za ultrafastní „attosekundové“ světelné pulsy.

Za druhé, demonstrovali ji pomocí analogie kruhově polarizovaného světla. Místo fyzického elektromagnetického pole s rotujícím polarizačním vektorem v reálném prostoru x-y realizovali syntetickou verzi kruhově polarizovaného světla pomocí prostoru x-y qubitu, který v tomto případě odpovídá jeho magnetickému toku a elektrickému náboji.

Kombinací nového pohledu na stávající design qubitu (fluxonium) a aplikace pokročilých řídicích metod aplikovaných na pochopení základní fyziky byl dosažen tento výsledek.

Tato práce, která je nezávislá na platformě a nevyžaduje žádné další náklady na kalibraci, zavádí přímé strategie pro zmírnění efektů protiběžné rotace ze silných pohonů v kvantové elektrodynamice obvodů a dalších platformách, o kterých výzkumníci očekávají, že budou užitečné při snaze o dosažení vysoce věrného řízení pro tolerantní kvantové počítání.

Oliver dodává: „S nedávným oznámením kvantového čipu Google Willow, který poprvé prokázal kvantovou korekci chyb nad prahem, je to včasný výsledek, protože jsme posunuli výkon ještě výše. Výkonnější qubity povedou k nižším požadavkům na implementaci korekce chyb.“

Mezi dalšími výzkumníky v článku jsou Helin Zhang, Max Hays, Patrick M. Harrington, Ilan T. Rosen, Simon Gustavsson, Kyle Serniak, Jeffrey A. Grover a Junyoung An z RLE a Jeffrey M. Gertler, Thomas M. Hazard, Bethany M. Niedzielski a Mollie E. Schwartz z MIT Lincoln Laboratory.

Tento výzkum byl částečně financován z prostředků Armádního výzkumného úřadu USA, Úřadu pro vědu Ministerstva energetiky USA, Národních center pro výzkum kvantové informační vědy, Centra pro spolupráci na kvantové výhodě, Letectva USA, Úřadu ředitele národní zpravodajské služby USA a Národního vědeckého fondu USA.