Physiker erzeugen symmetriegeschützte Majorana-Kantenmoden auf Quantencomputer

Physiker von Google Quantum AI haben mit ihrem Quantencomputer eine Art effektiver Teilchen untersucht, die widerstandsfähiger gegenüber Umweltstörungen sind, die Quantenberechnungen beeinträchtigen können. Diese effektiven Teilchen, die als Majorana-Kantenmoden bekannt sind, entstehen durch eine kollektive Anregung mehrerer einzelner Teilchen, so wie sich Meereswellen aus der kollektiven Bewegung von Wassermolekülen bilden. Majorana-Randmoden sind für Quantencomputeranwendungen von besonderem Interesse, da sie spezielle Symmetrien aufweisen, die die ansonsten fragilen Quantenzustände vor Rauschen in der Umgebung schützen können.

Der Festkörperphysiker Philip Anderson mal geschrieben, „Es ist nur leicht übertrieben zu sagen, dass Physik das Studium der Symmetrie ist.“ In der Tat ist das Studium physikalischer Phänomene und ihrer Beziehung zu zugrunde liegenden Symmetrien seit Jahrhunderten das Hauptanliegen der Physik. Symmetrien sind einfach Aussagen darüber, welche Transformationen ein System durchlaufen kann – wie etwa eine Translation, Rotation oder Inversion durch einen Spiegel – und unverändert bleiben. Sie können Probleme vereinfachen und zugrunde liegende physikalische Gesetzmäßigkeiten verdeutlichen. Und wie die neue Forschung zeigt, können Symmetrien sogar den scheinbar unaufhaltsamen Quantenprozess der Dekohärenz verhindern.

Wenn wir eine Berechnung auf einem Quantencomputer ausführen, möchten wir normalerweise, dass sich die Quantenbits oder „Qubits“ im Computer in einem einzigen, reinen Quantenzustand befinden. Dekohärenz tritt jedoch auf, wenn externe elektrische Felder oder andere Umgebungsgeräusche diese Zustände stören, indem sie sie mit anderen Zuständen vermischen, um unerwünschte Zustände zu erzeugen. Wenn ein Zustand eine bestimmte Symmetrie hat, könnte es möglich sein, ihn zu isolieren, wodurch effektiv eine Insel der Stabilität geschaffen wird, die sich nicht mit den anderen Zuständen vermischen kann, die nicht auch die spezielle Symmetrie haben. Da das Rauschen den symmetrischen Zustand nicht mehr mit den anderen verbinden kann, könnte es auf diese Weise die Kohärenz des Zustands bewahren.

Im Jahr 2000 entwickelte der Physiker Alexei Kitaev ein einfaches Modell zur Erzeugung symmetriegeschützter Quantenzustände. Das Modell bestand aus einer Kette miteinander verbundener Teilchen, den sogenannten Fermionen. Sie könnten so verbunden werden, dass an den Enden der Kette zwei wirksame Teilchen erscheinen würden. Aber das waren keine gewöhnlichen Teilchen – sie waren im Raum delokalisiert, wobei jedes gleichzeitig an beiden Enden der Kette erschien.

Dies waren die Majorana-Edge-Modi (MEMs). Die beiden Modi zeigten deutlich unterschiedliche Verhaltensweisen bei der sogenannten Paritätstransformation. Ein Modus sah unter dieser Transformation identisch aus, also war es eine Symmetrie des Zustands. Der andere nahm ein Minuszeichen auf. Der Paritätsunterschied zwischen diesen beiden Zuständen bedeutete, dass sie von vielen externen Rauschquellen (dh solchen, die auch Paritätssymmetrie hatten) nicht gemischt werden konnten.

In ihrem neuen Artikel veröffentlicht in Wissenschaft Xiao Mi, Pedram Roushan, Dima Abanin und ihre Kollegen bei Google mit dem Titel „Noise-resilient Majorana edge modes on a chain of supraconductor qubits“ realisierten diese MEMs erstmals mit supraleitenden Qubits. Sie verwendeten eine mathematische Transformation namens Jordan-Wigner-Transformation, um das Modell, das Kitaev in Betracht gezogen hatte, auf ein Modell abzubilden, das sie auf ihrem Quantencomputer realisieren konnten: das 1D-Kicked-Ising-Modell. Dieses Modell verbindet jedes Qubit in einer 1D-Kette mit jedem seiner zwei nächsten Nachbarn, sodass benachbarte Qubits miteinander interagieren. Dann stört ein „Kick“ periodisch die Kette.

Mi und seine Kollegen suchten nach Signaturen der MEMs, indem sie das Verhalten der Rand-Qubits mit denen in der Mitte der Kette verglichen. Während der Zustand der Qubits in der Mitte schnell dekohärte, hielten die Zustände der Qubits am Rand viel länger an. Mi sagt, dies sei „ein vorläufiger Hinweis auf die Widerstandsfähigkeit der MEMS gegenüber externer Dekohärenz“.

Anschließend führte das Team eine Reihe systematischer Studien zur Störfestigkeit der MEMS durch. In einem ersten Schritt maßen sie die den verschiedenen Quantenzuständen des Systems entsprechenden Energien und stellten fest, dass sie exakt dem Lehrbuchbeispiel des Kitaev-Modells entsprachen. Insbesondere fanden sie heraus, dass die beiden MEMs an den gegenüberliegenden Enden der Kette mit zunehmender Systemgröße exponentiell schwieriger zu mischen sind – ein Markenzeichen des Kitaev-Modells.

Als nächstes störte das Team das System, indem es niederfrequentes Rauschen zu den Steuervorgängen in den Quantenschaltkreisen hinzufügte. Sie fanden heraus, dass die MEMs immun gegen solche Störungen waren und sich stark von anderen generischen Kantenmoden ohne Symmetrien abhoben. Überraschenderweise stellte das Team auch fest, dass die MEMs selbst gegenüber Rauschen widerstandsfähig sind, das die Symmetrien des Ising-Modells bricht. Dies ist auf einen Mechanismus zurückzuführen, der als „Vorthermisierung“ bezeichnet wird und sich aus den hohen Energiekosten ergibt, die erforderlich sind, um die MEMs in andere mögliche Erregungen im System umzuwandeln.

Zuletzt maß das Team die vollständigen Wellenfunktionen der MEMs. Dazu mussten die Zustände einer unterschiedlichen Anzahl von Qubits in der Nähe beider Enden der Kette gleichzeitig gemessen werden. Hier machten sie eine weitere überraschende Entdeckung: Egal wie viele Qubits eine Messung enthielt, ihre Abklingzeit war identisch. Mit anderen Worten, Messungen mit sogar bis zu 12 Qubits zerfielen über die gleiche Zeitskala wie die von nur einem Qubit. Dies widersprach der intuitiven Erwartung, dass größere Quantenobservable in Gegenwart von Rauschen schneller zerfallen, und unterstrich weiter die kollektive Natur und Rauschresistenz der MEMs.

Mi und Roushan glauben, dass sie in Zukunft in der Lage sein könnten, MEMS zu verwenden, um symmetriegeschützte Quantengatter zu ermöglichen. Ihre Arbeit zeigt, dass die MEMs sowohl gegenüber niederfrequentem Rauschen als auch gegenüber kleinen Fehlern unempfindlich sind, sodass dies ein vielversprechender Weg ist, um robustere Gatter in einem Quantenprozessor herzustellen.

Die Forscher planen, das Schutzniveau dieser MEMs weiter zu verbessern, um hoffentlich mit einigen der führenden Techniken mithalten zu können, die zur Bekämpfung der Dekohärenz in Quantencomputern eingesetzt werden. Abanin sagt: „Eine Schlüsselfrage für zukünftige Arbeiten ist, ob diese Techniken erweitert werden können, um ein Schutzniveau zu erreichen, das mit aktiven Fehlerkorrekturcodes vergleichbar ist.“