Erfolgreiche Generierung von Zwei-Qutrit-Verschränkungstoren mit hoher Wiedergabetreue

Einem interdisziplinären Team am Advanced Quantum Testbed (AQT) des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und dem Quantum Nanoelectronics Laboratory (QNL) der University of California, Berkeley gelang ein technischer Durchbruch mithilfe von Qutrits – Drei-Ebenen-Systemen – auf einem supraleitenden Quantenprozessor .

Dem Team gelang es, zwei Transmon-Qutrits mit deutlich höheren Gattertreuen als in zuvor veröffentlichten Arbeiten erfolgreich zu verschränken, wodurch sie der Entwicklung einer ternären Logik näher kamen, die mehr Informationen kodieren kann als ihre binären Gegenstücke – Qubits.

Veröffentlicht in Naturkommunikation Dieser experimentelle Erfolg, der im Dezember 2022 veröffentlicht und als Highlight des Herausgebers vorgestellt wurde, treibt die Qutrit-Forschung und -Entwicklung von AQT voran, einschließlich früherer experimenteller Erfolge, die 2021 veröffentlicht wurden Körperliche Untersuchung X Und Briefe zur körperlichen Untersuchung. Ternäre Quanteninformationsprozessoren bieten erhebliche potenzielle Vorteile bei der Quantensimulation und Fehlerkorrektur sowie die Möglichkeit, bestimmte Quantenalgorithmen und -anwendungen zu verbessern.

Nutzung der ternären Quanteninformationsverarbeitung

Ein supraleitendes Qutrit verwendet wie ein Qubit mikrowelleninduzierte logische Gatteroperationen zur Steuerung. Allerdings verfügt die ternäre Quantenlogik über einen komplexeren Zustandsraum und eine komplexere Rauschumgebung, wodurch einzelne und zwei Qutrit-Logik-Gatter in kurzen Zeiträumen schwer zu steuern sind.

Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft und im Gerätedesign haben die Kohärenz supraleitender Geräte verbessert und die Steuerung von Qutrits erleichtert, die im Allgemeinen anfälliger für Rauschen sind. Um die Leistung eines Qutrit-Prozessors voll auszunutzen, ist es jedoch erforderlich, Vorgänge mit hoher Kontrolle über einzelne Qutrits auszuführen, aber auch benachbarte Qutrits mit hoher Wiedergabetreue und flexibler Steuerung zu verknüpfen.

Forschungsteams haben bereits einzelne Qutrit-Operationen mit hoher Wiedergabetreue demonstriert. Dennoch wurde die Geschwindigkeit des Entangling-Gates bisher dadurch beeinträchtigt, dass man sich auf eine langsame und statische Interaktion verließ, die immer aktiv ist. Die Beschleunigung dieser statischen Interaktion ohne die Möglichkeit, sie abzustimmen, würde das unerwünschte Rauschen, Übersprechen und Fehler im System erhöhen.

Das Team, das die Demonstration leitete, erweiterte die hochmoderne Forschung von AQT, um eine schnellere, flexible und abstimmbare mikrowellenaktivierte Verschränkung zwischen zwei Transmon-Qutrits mit fester Frequenz und fester Kopplung zu implementieren. Dieser neue Ansatz zur Qutrit-Verschränkung führte zu zwei universellen Zwei-Qutrit-Gattern, dem kontrollierten Z-Gatter (CZ) und dem kontrollierten Z-Invers-Gatter (CZ+).

Unter Verwendung der Zyklus-Benchmarking-Methode aus der früheren Qutrit-Arbeit von AQT mit dem Branchenpartner Keysight Technologies maß das Team eine Prozesstreue für ein Zwei-Qutrit-Entangling-Gate von bis zu 97,3 %, was die Untreue gegenüber früheren Bemühungen um etwa den Faktor vier verringerte. Darüber hinaus haben AQT-Forscher zum ersten Mal bei der Untersuchung von Qutrits ein weiteres etabliertes Protokoll – Cross-Entropy-Benchmarking – angewendet und verallgemeinert, um Gate-Rauschen zu charakterisieren und die Genauigkeit von Gate-Operationen zu bestimmen.

Erforschung neuer Grenzen der Quantenphysik

Noah Goss, ein Doktorand bei AQT und QNL, ist der Hauptautor der Arbeit. Goss freut sich darauf, das Verständnis der Quantenmechanik mit Qutrit-Gattern voranzutreiben.

„Eine Kombination verschiedener Arbeiten in AQT und QNL hat es uns ermöglicht, an diesen Punkt zu gelangen, an dem wir die Physik mit Qutrit-Logikgattern gut charakterisieren und verstehen können. Wir haben viel früheres Fachwissen synthetisiert und es im Experiment noch einen Schritt weitergeführt.“ „durch die Einführung einer Interaktion für Qutrits mit einem hohen Maß an Kontrolle, die zuvor nicht untersucht wurde“, sagte Goss.

Das AQT-Team gezeigt im Jahr 2021, wie man eine durch Mikrowellen aktivierte abstimmbare Kopplung zwischen Qubits mit fester Frequenz einsetzt. Um dies für Qutrits zu tun, haben Goss und das Team die unterschiedliche Wechselstrom-Stark-Verschiebung für zwei Transmon-Qutrits mit fester Frequenz angewendet und charakterisiert. Die AC-Stark-Verschiebung nutzt Mikrowellenlicht, um kleine Änderungen in den Übergangsfrequenzen und der Energieniveaustruktur des gekoppelten Qutrit-Systems vorzunehmen, um die Verschränkung zwischen den beiden Qutrits abzustimmen.

„Wir haben gelernt, wie man mit Zwei-Qutrit-Gattern eine Verschränkung erzeugt, ohne einzelne Qutrit-Gatter zu opfern. Und wenn man die in der experimentellen Demonstration mit Qutrits erreichte Genauigkeit vergleicht, ist sie mit den absolut hochmodernen Drei-Qubit-Gattern konkurrenzfähig.“ obwohl es sich auf einem noch größeren Raum befindet“, sagte Goss.

Eine quantentaugliche Vision entwickeln

Die Generierung von Qutrit-Gattern mit hoher Wiedergabetreue führt zu Komplexität in allen Bereichen des Quantencomputings. AQT bietet ein ideales Ausbildungslabor für solche umfassenden, hochmodernen Erkundungen mit immer komplexeren supraleitenden Prozessoren. AQT bildet durch seine Forschungsmöglichkeiten und den offenen Zugang zum Prüfstand des Labors auch die nächste Generation von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus. Im dritten Jahr des Testbed-Benutzerprogramms hat die experimentelle Arbeit des Teams weiteres Interesse an zukünftigen Forschungskooperationen geweckt.

„Es macht Spaß und ist cool, weiter auf früheren Arbeiten aufzubauen und gleichzeitig die Forschung und Entwicklung von qutrit voranzutreiben, und zwar aus einem ganz anderen Blickwinkel als der Rest der Wissenschaft und Industrie. AQT ist ein großartiger Ort für solche Erkundungen. Es gibt immer noch so viele Details.“ „Das muss geklärt werden und in diesem wachsenden Teilgebiet der Qutrits gibt es so viel Physik zu tun“, sagte Goss.

Die in dieser Arbeit untersuchte Physik zur Erzeugung einer Qutrit-Verschränkung zwischen zwei Transmonen mit fester Frequenz kann auf verschiedene Hardwarearchitekturen angewendet werden, einschließlich solcher mit abstimmbarer Kopplung oder auf verschiedene supraleitende Schaltkreise wie Fluxonium.