Kvantno računarstvo obećava da će rešiti složene probleme eksponencijalno brže od klasičnog računara, koristeći principe kvantne mehanike za kodiranje i manipulaciju informacijama u kvantnim bitovima (kubitima).
Kubiti su gradivni blokovi kvantnog računara. Jedan izazov za skaliranje je, međutim, to što su kubiti veoma osetljivi na pozadinsku buku i nesavršenosti kontrole, koje unose greške u kvantne operacije i na kraju ograničavaju složenost i trajanje kvantnog algoritma. Da bi poboljšali situaciju, istraživači MIT-a i istraživači širom sveta stalno su se fokusirali na poboljšanje performansi kubita.
U novom radu, koristeći supravodljivi kubit nazvan fluksonijum, istraživači MIT-a u Odeljenju za fiziku, Istraživačkoj laboratoriji za elektroniku (RLE) i Odeljenju za elektrotehniku i računarstvo (EECS) razvili su dve nove tehnike upravljanja kako bi postigli svetsko- rekordna vernost jednog kubita od 99,998%. Ovaj rezultat dopunjuje prošlogodišnju demonstraciju Leona Dinga, tadašnjeg istraživača MIT-a, vernosti gejta od 99,92% od dva kubita.
Nalazi su objavljeni u časopisu PRKS Kuantum.
Stariji autori rada su David Rover, Ph.D., nedavni postdoktor fizike u MIT-ovoj grupi za inženjerske kvantne sisteme (EKuS) i sada naučni naučnik u laboratoriji Google Kuantum AI; dr Leon Ding, iz EKuS-a, koji sada vodi tim za kalibraciju u Atlantic Kuantum; i Villiam D. Oliver, Henri Ellis Varren, profesor EECS-a i profesor fizike, vođa EKuS-a, direktor Centra za kvantno inženjerstvo i pomoćni direktor RLE-a.
Glavni izazov sa kvantnim proračunom je dekoherencija, proces kojim kubiti gube svoje kvantne informacije. Za platforme kao što su superprovodni kubiti, dekoherencija stoji na putu realizacije kvantnih kapija veće vernosti.
Kvantni računari moraju da postignu visoku vernost kapije da bi implementirali održivo računanje kroz protokole kao što je kvantna korekcija grešaka. Što je veća vernost kapije, lakše je realizovati praktično kvantno računarstvo.
Istraživači sa MIT-a razvijaju tehnike da što brže naprave kvantne kapije, osnovne operacije kvantnog računara, kako bi smanjili uticaj dekoherencije. Međutim, kako kapije postaju sve brže, može se uvesti druga vrsta greške, koja proizilazi iz dinamike suprotno rotacije, zbog načina na koji se kubiti kontrolišu pomoću elektromagnetnih talasa.
Jednokubitne kapije se obično implementiraju sa rezonantnim impulsom, koji indukuje Rabijeve oscilacije između stanja kubita. Međutim, kada su impulsi prebrzi, „Rabi kapije“ nisu tako konzistentne, zbog neželjenih grešaka usled kontrarotirajućih efekata. Što je brža kapija, to je greška kontrarotiranja više očigledna. Za niskofrekventne kubite kao što je fluksonijum, greške u suprotnom rotiranju ograničavaju vernost brzih kapija.
„Otarasiti se ovih grešaka bio je zabavan izazov za nas“, kaže Veslač. „U početku, Leon je imao ideju da koristi kružno polarizovane mikrotalasne pogone, analogno kružno polarizovanoj svetlosti, ali realizovano kontrolom relativne faze naelektrisanja i pogona fluksa superprovodnog kubita. Takav kružno polarizovan pogon bi idealno bio imun na suprotno rotiranje greške.“
Dok je Dingova ideja funkcionisala odmah, vernost postignuta sa kružno polarizovanim pogonima nije bila tako visoka kao što se očekivalo od merenja koherentnosti.
„Na kraju smo naišli na prelepo jednostavnu ideju“, kaže Veslač. „Ako bismo primenili impulse u tačno pravo vreme, trebalo bi da budemo u mogućnosti da napravimo greške u suprotnom rotiranju konzistentnim od impulsa do impulsa. Ovo bi učinilo da se greške u suprotnom rotiranju mogu ispraviti. Još bolje, one bi bile automatski uračunate u naš uobičajene kalibracije Rabi kapije.“
Ovu ideju su nazvali „srazmernim impulsima“, pošto je impulse trebalo primeniti u vremenima srazmernim intervalima određenim frekvencijom kubita kroz njen inverzni vremenski period. Srazmerni impulsi se jednostavno definišu vremenskim ograničenjima i mogu se primeniti na jedan linearni kubit disk. Nasuprot tome, kružno polarizovane mikrotalasne pećnice zahtevaju dva pogona i dodatnu kalibraciju.
„Veoma sam se zabavio razvijajući srazmernu tehniku“, kaže Veslač. „Bilo je jednostavno, razumeli smo zašto tako dobro funkcioniše i trebalo bi da bude prenosiv na bilo koji kubit koji pati od grešaka u suprotnom rotiranju.
„Ovaj projekat jasno daje do znanja da se greške protiv rotacije mogu lako rešiti. Ovo je divna stvar za niskofrekventne kubite kao što je fluksonijum, koji izgledaju sve više i više obećavajući za kvantno računarstvo.“
Fluksonijum je tip superprovodnog kubita sastavljen od kondenzatora i Džozefsonovog spoja; za razliku od transmon kubita, međutim, fluksonijum takođe uključuje veliki „superiduktor“, koji po dizajnu pomaže u zaštiti kubita od buke iz okoline. Ovo rezultira izvođenjem logičkih operacija, ili kapija, sa većom preciznošću.
Međutim, uprkos tome što ima veću koherenciju, fluksonijum ima nižu frekvenciju kubita koja je generalno povezana sa proporcionalno dužim kapijama.
„Ovde smo demonstrirali kapiju koja je među najbržim i najvernijim u svim superprovodnim kubitima“, kaže Ding. „Naši eksperimenti zaista pokazuju da je fluksonijum kubit koji podržava i zanimljiva fizička istraživanja i takođe apsolutno pruža u smislu inženjerskih performansi.
Sa daljim istraživanjem, nadaju se da će otkriti nova ograničenja i doneti još brže kapije veće vernosti.
„Dinamika protiv rotacije je nedovoljno proučavana u kontekstu superprovodnog kvantnog računarstva zbog toga koliko dobro se aproksimacija rotirajućih talasa drži u uobičajenim scenarijima“, kaže Ding. „Naš rad pokazuje kako precizno kalibrisati brze, niskofrekventne kapije gde se aproksimacija rotirajućih talasa ne drži.“
„Ovo je divan primer vrste posla koji volimo da radimo u EKuS-u, jer koristi fundamentalne koncepte i fizike i elektrotehnike da bi se postigao bolji ishod“, kaže Oliver. „Nadovezuje se na naš raniji rad sa neadijabatskom kontrolom kubita, primenjuje ga na novi kubit — fluksonijum — i pravi prelepu vezu sa dinamikom protiv rotacije.“
Naučni i inženjerski timovi su omogućili visoku vernost na dva načina. Prvo, tim je pokazao „srazmernu“ (sinhronu) neadijabatsku kontrolu, koja prevazilazi standardnu „aproksimaciju rotirajućih talasa“ standardnih Rabijevih pristupa. Ovo koristi ideje koje su 2023. godine dobile Nobelovu nagradu za fiziku za ultrabrze impulse svetlosti od „atosekunde“.
Drugo, demonstrirali su to koristeći analognu kružno polarizovanu svetlost. Umesto fizičkog elektromagnetnog polja sa rotirajućim vektorom polarizacije u realnom k-i prostoru, oni su realizovali sintetičku verziju kružno polarizovane svetlosti koristeći prostor k-i kubita, koji u ovom slučaju odgovara njegovom magnetnom fluksu i električnom naboju.
Kombinacija novog preuzimanja postojećeg dizajna kubita (fluksonijum) i primena naprednih kontrolnih metoda primenjenih na razumevanje osnovne fizike omogućila je ovaj rezultat.
Nezavisan od platforme i koji ne zahteva dodatnu kalibraciju, ovaj rad uspostavlja jednostavne strategije za ublažavanje efekata suprotno rotacije od jakih pogona u kvantnoj elektrodinamici kola i drugim platformama, za koje istraživači očekuju da će biti od pomoći u nastojanju da se realizuje kontrola visoke vernosti za greške. -tolerantno kvantno računarstvo.
Oliver dodaje: „Sa nedavnom najavom Google-ovog Villov kvantnog čipa koji je po prvi put pokazao kvantnu korekciju grešaka iznad praga, ovo je blagovremen rezultat, jer smo poboljšali performanse još više. Kubiti sa većim performansama će dovesti do nižih zahteva za sprovođenje ispravljanja grešaka“.