Vermeidung von Quantenchaos zur Erzielung hochpräziser Quantenzustandsübertragung

Ein internationales Wissenschaftlerteam aus China und den USA hat ein skalierbares Protokoll für einen hochpräzisen Quantenzustandstransfer (QST) in einem supraleitenden 36-Qubit-Quantenschaltkreis entwickelt.

Die Forscher konzentrierten sich auf die Optimierung der Qubit-Kopplung, um das Quantenchaos in 2D-Quantennetzwerken zu überwinden.

Mit der Entwicklung von Quantencomputersystemen und der zunehmenden Nutzung von Festkörperarchitekturen steigt auch der Bedarf an hochpräziser Quantenkommunikation über kurze Distanzen. Insbesondere supraleitende Qubits werden bevorzugt, da sie mehr Skalierbarkeit und Praktikabilität beim Aufbau zweidimensionaler Quantennetzwerke bieten.

Bei den traditionelleren Ansätzen für QST in 2D-Netzwerken besteht das Problem der Anhäufung von Fehlern. Daher schlagen die Forscher einen alternativen Ansatz vor, der sich auf die Optimierung der Qubit-Kopplung konzentriert.

Phys.org sprach mit einigen der Forscher hinter dem Naturkommunikation Studie um mehr über ihre Arbeit zu erfahren.

Die Co-Autoren Prof. Qiujiang Guo und Postdoktorand Dr. Liang Xiang von der Zhejiang-Universität in China erläuterten ihre Motivation für die Forschung: „Technisch gesehen ist die Nahbereichskommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Festkörperquantensystems sowohl für die Skalierung von Quantenprozessoren als auch für die effiziente Implementierung von Quantenalgorithmen anspruchsvoll.

„Andererseits sind programmierbare supraleitende Prozessoren die naheliegende Wahl als Medium für die Übertragung von Quanteninformationen. Die experimentelle Demonstration der Übertragung von Quantenzuständen ist jedoch weitgehend auf kleine Ketten mit wenigen Qubits beschränkt“, sagten sie.

QST verstehen

„Beim Versuch, einen vollwertigen Quantencomputer zu bauen, zielt man darauf ab, die Fähigkeiten seines klassischen Gegenstücks zu reproduzieren, nämlich Verarbeitung, Speicherung und Kommunikation“, sagte Prof. Richard T. Scalettar von der University of California, Davis, Co-Autor der Studie.

„Unsere Forschung konzentrierte sich auf Letzteres und befasste sich mit der Frage, wie ein Quantenzustand effizient zwischen den beiden Enden eines Quantengeräts transportiert werden kann“, fügte Prof. Rubem Mondaini von der University of Houston hinzu, ebenfalls Co-Autor der Studie.

QST ist der Prozess der Übertragung des Zustands eines Quantensystems von einem Qubit auf ein anderes. Es ist die Grundlage aller Quanteninformations- und -kommunikationssysteme.

Wenn von der Genauigkeit von QST die Rede ist, ist damit gemeint, wie genau die Informationsübertragung ohne Fehler oder Dekohärenz erfolgt. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, Fehler aufgrund von Umweltinteraktionen zu minimieren.

Frühere Forschungen haben QST für ideale Einzelpartikelsysteme nachgewiesen.

„Dieser ursprüngliche Ansatz berücksichtigt nicht die Tatsache, dass echte Quantengeräte alles andere als perfekt sind. Im Idealfall sind keine Defekte oder unerwünschten Kopplungen vorhanden, und es gibt keine Übereinstimmungen mit dem, was man in einem echten Quantengerät beobachten kann“, erklärte Prof. Mondaini.

Qubit-Kopplung und Quantenchaos

Ein Schlüsselelement der Quantenkommunikation ist die Qubit-Kopplung. Dabei handelt es sich um eine Interaktion zwischen Qubits, bei der der Zustand eines Qubits den Zustand eines anderen beeinflusst. Bei supraleitenden Qubits wird dies normalerweise durch elektromagnetische Felder vermittelt. Das Ausmaß dieser Interaktion wird anhand der Kopplungsstärke gemessen, die häufig angepasst oder gesteuert werden kann.

Während die Qubit-Kopplung für die Informationsübertragung zwischen Qubits in einem System erforderlich ist, bringt sie auch Herausforderungen wie Chaos mit sich.

Quantenchaos bezeichnet einen Zustand, in dem das Verhalten eines Quantensystems aufgrund komplexer Wechselwirkungen innerhalb des Systems unvorhersehbar ist. Diese Unvorhersehbarkeit ist sehr empfindlich gegenüber dem Anfangszustand des Systems und führt bei geringfügigen Abweichungen der Anfangsbedingungen zu erheblichen Verhaltensänderungen.

In Systemen mit hoher Kopplungsstärke zwischen Qubits ist das Chaos übertrieben, was durch Störung der Kohärenz zu Fehlern in QST führt. Defekte (wie Unregelmäßigkeiten oder Unvollkommenheiten) können, wie Prof. Mondaini erwähnte, chaotisches Verhalten ebenfalls verschlimmern.

Daher ist die Bewältigung des Chaos in Quantensystemen für die Quantenkommunikation von entscheidender Bedeutung.

„Unsere Methode funktioniert auch bei nicht-idealen Quantennetzwerken, also auch dann, wenn die Kopplung zwischen den Qubits nicht auf die für einen perfekten Zustandsübergang erforderlichen, vorher festgelegten Werte eingestellt werden kann“, erklärt Prof. Scalettar.

Monte-Carlo-Glühen

Das Team ging das Problem mithilfe einer Hybridmethode an, bei der ein klassischer Computer die Optimierungsaufgabe durchführte und ein supraleitender Quantenschaltkreis die Optimierung zur Durchführung von QST nutzte.

Zur Optimierung verwendeten die Forscher eine Methode namens Monte-Carlo-Glühen (MC-Glühen). Glühen ist ein in der Metallurgie verwendeter Prozess, bei dem ein Material auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt wird, um die Materialeigenschaften zu verändern.

In diesem Fall möchten die Forscher die Wiedergabetreue (oder effiziente QST) maximieren und den Kopplungsstärkeparameter optimieren. Einfach ausgedrückt möchten sie den optimalen Wert der Kopplungsstärke finden, für den wir eine effiziente QST erreichen können.

Es ist nicht praktikabel, jede mögliche Konfiguration zu untersuchen, um die Kopplungsstärke zu optimieren. Die MC-Methode prüft die Kopplung in supraleitenden Quantenschaltkreisen nach dem Zufallsprinzip und optimiert sie.

Dieser stochastische oder probabilistische Ansatz steuert die Parameterwerte effizient, um die Genauigkeit von QST zu maximieren. Der Prozess ist iterativ und die Kopplungsstärke wird durch probabilistische Stichprobennahme und klassische Rechenleistung angepasst.

Implementierung eines supraleitenden 36-Qubit-Quantenschaltkreises

Die Forscher nutzten ihre Optimierungstechnik, um ein zweidimensionales 6×6-supraleitendes Qubit-Netzwerk einzusetzen, also ein Netzwerk mit 36 ​​Qubits.

Sie testeten dieses Netzwerk auf drei Arten von Quantenzuständen, die sie übertrugen.

Bei der ersten handelte es sich um eine Einzelanregungsübertragung, bei der nur ein Qubit im System angeregt wird. Ziel ist es zu sehen, wie diese Anregung auf mehrere Qubits innerhalb des Quantensystems übertragen wird.

Bei Übertragungen mit einer einzigen Anregung betrug die Genauigkeit 0,902. Eine Genauigkeit von 0,902 bedeutet, dass der tatsächlich übertragene Zustand mit einer Genauigkeit von 90,2 % dem gewünschten Zustand sehr nahe kommt.

Bei der Übertragung mit zwei Anregungen (zwei angeregte Qubits) betrug die Wiedergabetreue 0,737, was bedeutet, dass die Informationen mit einer Genauigkeit von 73,7 % übertragen wurden.

Die Forscher testeten ihr Netzwerk auch auf die Übertragung eines Bell-Zustands. Ein Bell-Zustand ist ein Zustand von zwei maximal verschränkten Qubits. Wenn sich Qubits in einem Bell-Zustand befinden, sind ihre Quanteneigenschaften so korreliert, dass man, wenn man den Zustand eines Qubits misst, sofort den Zustand des anderen kennt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

In diesem Fall wurde eine Genauigkeit von 0,84 zwischen zwei Qubit-Paaren festgestellt. Der Nachweis von QST für einen Bell-Zustand ist von entscheidender Bedeutung, da er grundlegende Quantenprinzipien bestätigt.

„Wir demonstrieren nicht nur technisch einen Monte-Carlo-Glühprozess zur Verbesserung der Übertragungstreue, sondern enthüllen auch die zugrunde liegenden physikalischen Bilder aus der Perspektive des quantenchaotischen Verhaltens und der Large-Spin-Darstellung“, sagte Prof. Guo.

„Unsere Erkenntnisse gehen weit über den Rahmen früherer Experimente hinaus. Sie stellen nicht nur eine praktische Möglichkeit dar, QST mit wenigen Teilchen in unvollkommenen 2D-Netzwerken zu realisieren, sondern enthüllen auch das zugrunde liegende physikalische Verständnis von QST aus der Drehimpulstheorie und der Quantenergodizität“, fügte Dr. Xiang hinzu.

Vorausschauen

Der Optimierungsansatz des Teams funktioniert so, dass die Kopplungen zwischen den Qubits in einem Quantennetzwerk der Manifestation von Quantenchaos entgehen, was durch ihre experimentellen Ergebnisse bestätigt wurde.

Zu möglichen direkten Anwendungen ihres Protokolls sagten Prof. Mondaini und Prof. Scalettar: „Wahrscheinlich kann die Herstellung eines zukünftigen Quantengeräts durch die Verbindung einer Reihe kleinerer Quantenprozessoren erleichtert werden. Die Übertragung eines Zustands innerhalb jedes einzelnen von ihnen und die anschließende Weitergabe des Zustands an den nächsten würde einen verteilten Quantenprozessor bilden, der den von uns entwickelten Ansatz nutzen könnte.“

Im Wesentlichen unterstreicht dies die Skalierbarkeit und Praktikabilität ihres Systems für große, miteinander verbundene Systeme.

Prof. Guo und Dr. Xiang fügten hinzu, dass ihr System auch eine konstruktive Technik für die Entwicklung von Quantenkanälen und -Routern als Bausteine ​​für die Verbindung von Prozessorknoten bereitstellen könne.

Sie sagten: „Aufbauend auf der hochpräzisen Quantenzustandsübertragung kann man effiziente Remote-Quantengatter über den Quantenprozessor implementieren und so den Quantenalgorithmus beschleunigen.“

Daher könnte ihr Protokoll Möglichkeiten für die Entwicklung grundlegender Komponenten von Quantenkommunikations- und Informationsnetzwerken eröffnen.

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