Schnelle Steuerungsmethoden ermöglichen rekordverdächtige Genauigkeit im supraleitenden Qubit

Quantencomputing verspricht, komplexe Probleme exponentiell schneller zu lösen als ein klassischer Computer, indem es die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Informationen in Quantenbits (Qubits) zu kodieren und zu manipulieren.

Qubits sind die Bausteine ​​eines Quantencomputers. Eine Herausforderung bei der Skalierung besteht jedoch darin, dass Qubits sehr empfindlich auf Hintergrundrauschen und Kontrollunvollkommenheiten reagieren, die Fehler in die Quantenoperationen einführen und letztendlich die Komplexität und Dauer eines Quantenalgorithmus begrenzen. Um die Situation zu verbessern, haben sich MIT-Forscher und Forscher weltweit kontinuierlich auf die Verbesserung der Qubit-Leistung konzentriert.

In einer neuen Arbeit entwickelten MIT-Forscher im Department of Physics, im Research Laboratory of Electronics (RLE) und im Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) unter Verwendung eines supraleitenden Qubits namens Fluxonium zwei neue Steuerungstechniken, um eine Welt zu erreichen. Rekord-Single-Qubit-Wiedergabetreue von 99,998 %. Dieses Ergebnis ergänzt den Nachweis einer Zwei-Qubit-Gatetreue von 99,92 % durch den damaligen MIT-Forscher Leon Ding im vergangenen Jahr.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch PRX Quantum.

Die leitenden Autoren des Papiers sind David Rower, Ph.D., ein frischgebackener Physik-Postdoc in der Engineering Quantum Systems (EQuS)-Gruppe des MIT und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Google Quantum AI-Labor; Leon Ding Ph.D. von EQuS, jetzt Leiter des Kalibrierungsteams bei Atlantic Quantum; und William D. Oliver, Henry Ellis Warren Professor für EECS und Professor für Physik, Leiter von EQuS, Direktor des Center for Quantum Engineering und stellvertretender Direktor des RLE.

Dekohärenz und gegenläufige Fehler

Eine große Herausforderung bei der Quantenberechnung ist die Dekohärenz, ein Prozess, bei dem Qubits ihre Quanteninformation verlieren. Bei Plattformen wie supraleitenden Qubits steht die Dekohärenz der Realisierung von Quantengattern mit höherer Wiedergabetreue im Weg.

Quantencomputer müssen eine hohe Gattertreue erreichen, um nachhaltige Berechnungen durch Protokolle wie die Quantenfehlerkorrektur zu implementieren. Je höher die Gattertreue, desto einfacher ist es, praktisches Quantencomputing zu realisieren.

MIT-Forscher entwickeln Techniken, um Quantengatter, die grundlegenden Operationen eines Quantencomputers, so schnell wie möglich zu machen, um die Auswirkungen der Dekohärenz zu reduzieren. Wenn die Tore jedoch schneller werden, kann aufgrund der Art und Weise, wie Qubits mithilfe elektromagnetischer Wellen gesteuert werden, eine andere Art von Fehler auftreten, die aus der gegenläufigen Dynamik resultiert.

Single-Qubit-Gates werden üblicherweise mit einem Resonanzimpuls implementiert, der Rabi-Oszillationen zwischen den Qubit-Zuständen induziert. Wenn die Impulse jedoch zu schnell sind, sind „Rabi-Gates“ aufgrund unerwünschter Fehler durch gegenläufige Effekte nicht so konsistent. Je schneller das Tor ist, desto ausgeprägter ist der gegenläufige Fehler. Bei niederfrequenten Qubits wie Fluxonium schränken gegenläufige Fehler die Genauigkeit schneller Gatter ein.

„Diese Fehler zu beseitigen war für uns eine lustige Herausforderung“, sagt Rower. „Ursprünglich hatte Leon die Idee, zirkular polarisierte Mikrowellenantriebe zu verwenden, analog zu zirkular polarisiertem Licht, die jedoch durch die Steuerung der relativen Phase der Ladungs- und Flussantriebe eines supraleitenden Qubits realisiert wurden. Ein solcher zirkular polarisierter Antrieb wäre idealerweise immun gegen Gegenrotation Fehler.“

Während Dings Idee sofort funktionierte, waren die mit zirkular polarisierten Antrieben erzielten Wiedergabetreuen nicht so hoch wie von Kohärenzmessungen erwartet.

„Schließlich sind wir auf eine wunderbar einfache Idee gestoßen“, sagt Rower. „Wenn wir die Impulse genau zum richtigen Zeitpunkt anwenden würden, sollten wir in der Lage sein, die gegenläufigen Fehler von Impuls zu Impuls konsistent zu machen. Dies würde die gegenläufigen Fehler korrigierbar machen. Noch besser: Sie würden automatisch mit unseren berücksichtigt.“ übliche Rabi-Gate-Kalibrierungen.“

Sie nannten diese Idee „angemessene Impulse“, da die Impulse zu Zeiten angewendet werden mussten, die den Intervallen entsprechen, die durch die Qubit-Frequenz durch ihren Kehrwert, die Zeitperiode, bestimmt werden. Entsprechende Impulse werden einfach durch Zeitbeschränkungen definiert und können auf einen einzelnen linearen Qubit-Antrieb angewendet werden. Im Gegensatz dazu erfordern zirkular polarisierte Mikrowellen zwei Antriebe und eine zusätzliche Kalibrierung.

„Es hat mir viel Spaß gemacht, die entsprechende Technik zu entwickeln“, sagt Rower. „Es war einfach, wir haben verstanden, warum es so gut funktionierte, und es sollte auf jedes Qubit übertragbar sein, das unter gegenläufigen Rotationsfehlern leidet.“

„Dieses Projekt macht deutlich, dass mit gegenläufigen Fehlern leicht umgegangen werden kann. Das ist eine wunderbare Sache für niederfrequente Qubits wie Fluxonium, die für das Quantencomputing immer vielversprechender erscheinen.“

Das Versprechen von Fluxonium

Fluxonium ist eine Art supraleitendes Qubit, das aus einem Kondensator und einem Josephson-Kontakt besteht; Im Gegensatz zu Transmon-Qubits enthält Fluxonium jedoch auch einen großen „Suprainduktor“, der konstruktionsbedingt dazu beiträgt, das Qubit vor Umgebungsrauschen zu schützen. Dies führt dazu, dass logische Operationen oder Gatter genauer ausgeführt werden.

Trotz höherer Kohärenz weist Fluxonium jedoch eine niedrigere Qubit-Frequenz auf, die im Allgemeinen mit proportional längeren Gates verbunden ist.

„Hier haben wir ein Gate demonstriert, das zu den schnellsten und zuverlässigsten aller supraleitenden Qubits gehört“, sagt Ding. „Unsere Experimente zeigen wirklich, dass Fluxonium ein Qubit ist, das sowohl interessante physikalische Untersuchungen unterstützt als auch hinsichtlich der technischen Leistung absolut überzeugt.“

Mit weiterer Forschung hoffen sie, neue Einschränkungen aufzudecken und noch schnellere Gates mit höherer Wiedergabetreue zu entwickeln.

„Die gegenläufige Dynamik wurde im Zusammenhang mit supraleitendem Quantencomputing nur unzureichend untersucht, da die Näherung der rotierenden Welle in gängigen Szenarien gut zutrifft“, sagt Ding. „Unser Artikel zeigt, wie man schnelle Niederfrequenz-Gates präzise kalibrieren kann, wenn die Näherung der rotierenden Welle nicht gilt.“

Physik und Ingenieurwesen schließen sich zusammen

„Dies ist ein wunderbares Beispiel für die Art von Arbeit, die wir bei EQuS gerne leisten, weil sie grundlegende Konzepte sowohl der Physik als auch der Elektrotechnik nutzt, um ein besseres Ergebnis zu erzielen“, sagt Oliver. „Es baut auf unserer früheren Arbeit zur nichtadiabatischen Qubit-Kontrolle auf, wendet sie auf ein neues Qubit – Fluxonium – an und stellt eine schöne Verbindung mit der gegenläufigen Dynamik her.“

Die Wissenschafts- und Ingenieurteams ermöglichten die hohe Wiedergabetreue auf zwei Arten. Zunächst demonstrierte das Team eine „angemessene“ (synchrone) nichtadiabatische Steuerung, die über die standardmäßige „rotierende Wellennäherung“ der standardmäßigen Rabi-Ansätze hinausgeht. Dabei werden Ideen genutzt, die 2023 für ultraschnelle „Attosekunden“-Lichtimpulse mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden.

Zweitens demonstrierten sie es mit einem Analogon zu zirkular polarisiertem Licht. Anstelle eines physikalischen elektromagnetischen Feldes mit einem rotierenden Polarisationsvektor im realen xy-Raum realisierten sie eine synthetische Version von zirkular polarisiertem Licht unter Verwendung des xy-Raums des Qubits, der in diesem Fall seinem magnetischen Fluss und seiner elektrischen Ladung entspricht.

Die Kombination aus einer neuen Interpretation eines bestehenden Qubit-Designs (Fluxonium) und der Anwendung fortschrittlicher Kontrollmethoden zum Verständnis der zugrunde liegenden Physik ermöglichte dieses Ergebnis.

Diese Arbeit ist plattformunabhängig und erfordert keinen zusätzlichen Kalibrierungsaufwand. Sie legt einfache Strategien zur Abschwächung gegenläufiger Effekte starker Antriebe in der Quantenelektrodynamik von Schaltkreisen und anderen Plattformen fest, von denen die Forscher erwarten, dass sie bei den Bemühungen, eine hochgenaue Fehlerkontrolle zu realisieren, hilfreich sein werden -tolerantes Quantencomputing.

Oliver fügt hinzu: „Mit der jüngsten Ankündigung des Willow-Quantenchips von Google, der zum ersten Mal eine Quantenfehlerkorrektur über den Schwellenwert hinaus demonstrierte, ist dies ein zeitgemäßes Ergebnis, da wir die Leistung noch weiter gesteigert haben. Leistungsstärkere Qubits werden zu geringeren Overhead-Anforderungen führen.“ Fehlerkorrektur durchführen.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.