Kvantesammenbrud en skridt nærmere virkeligheden ved at udnytte harmoniske oscillatorer

Kvante-computer-løbet har været varmt i nogle år nu, med stofopdagelse, materialsvidenskab, optimering, maskinlæring og kryptografi værende blot nogle af områderne, der vil blive revolutioneret af dets fremskridt.Men på trods af alle fremskridt, har opbygning af kvante-computere, der løser virkeligheds-problemer, været holdt tilbage af tre store udfordringer:

• Ødelagt kvantetilstande
• Skalering op, mens man opretholder kontrol
• Bevarelse af koherens

Nu har et hold på Chalmers Universitet i Sverige taget et betydeligt skridt i at løse disse udfordringer og accelerere udviklingen af praktiske kvante-computere. De offentliggjorde nyligt en ny metode i tidsskriftet Nature for manipulation af kvantinformation ved hjælp af justerbar ikke-linearitet i superledende kredsløb. Dette tillader komplekse operationer på multi-dimensionale kvantetilstande at udføres hurtigere og mere præcist end nogensinde før.

Opbygning af praktiske kvante-computere

I hjertet af kvante-computing er kvantebiten, eller qubit, den grundlæggende enhed for kvantinformation. I modsætning til klassiske bits, som enten er 0 eller 1, kan qubits være både 0 og 1 og alt imellem. Qubits kan også være sammenflettede med hinanden, hvilket tillader kvante-computere at udføre nogle beregninger meget hurtigere end klassiske computere.

Men at nå denne kapacitet har været en betydelig udfordring. En af de største problemer er ødelagt kvantetilstande. Qubits er følsomme over for deres omgivelser og mister hurtigt deres kvanteegenskaber gennem dekoherens, hvilket introducerer fejl i kvanteberegningen og begrænser dybden af beregningerne.

Et andet stort problem er skalering. Når flere qubits tilføjes til en kvante-processor, bliver det sværere at kontrollere interaktionerne mellem dem og at implementere kvanteportalene. Dette skyldes, at kontrolsystemerne og sammenkoblingen mellem qubits bliver mere komplekse.

Og der er en balance mellem koherens og kontrollabilitet. Teknikker, der gør qubits mere koherente, som fejlkorrekturkoder, kræver mere ressourcer og begrænser nogle operationer. Systemer, der har mere kontrol over individuelle qubits, som fangede ioner eller superledende kredsløb, er mere støjende og mere udsat for dekoherens.

“Tænk på en qubit som en blå lampe, der, kvantemekanisk, kan være både tændt og slukket samtidig. I modsætning hertil er et kontinuert variabelt kvantesystem som en uendelig regnbue, der tilbyder en sammenhængende overgang af farver. Dette illustrerer dets evne til at få adgang til en enorm mængde tilstande, hvilket giver langt rigere muligheder end qubits to tilstande.”

– Axel Eriksson, forsker i kvanteteknologi på Chalmers Universitet og hovedforfatter af studiet

Klik her for at lære om den nuværende tilstand af kvante-computing.

Justerbare ikke-lineariteter i superledende kredsløb

Chalmers-holdet, ledet af Dr. Axel M. Eriksson og Simone Gasparinetti, har løst disse problemer ved at bruge superledende kredsløb. De har udviklet en særlig komponent kaldet en Superledende Ikke-lineær Asymmetrisk Induktiv Element (SNAIL) resonator.

SNAIL’er er superledende kredsløbselementer med stærk, justerbar ikke-linearitet. Det er en superledende sling, der indeholder Josephson-overgang, tynde isolerende barrierer, der tillader Cooper-par (bundne par af elektroner) at tunnle gennem. Ved at anordne overgangene asymmetrisk, har de lavet et kredsløbselement med ikke-lineær induktans.

“Vi har lavet et system, der kan udføre komplekse operationer på et multi-tilstands kvantesystem hurtigere end nogensinde før.”

– Seniorforfatter Dr. Simone Gasparinetti, leder af 202Q-laboratoriet på Chalmers Universitet

Det vigtigste, Chalmers-holdet gjorde, var at placere en SNAIL-resonator inde i en superledende mikro-bølge-kavitet, der er en bosonsk tilstand for at kode kvantinformation. De anvendte mikro-bølge-pulser på dette hybrid-system og aktiverede og deaktiverede ikke-lineariteten i SNAIL’en for at udføre alle mulige kvante-operationer hurtigt og præcist.

Kontinuerlig variabel kvante-computing

En af de unikke ting ved Chalmers-holdets tilgang er, at den går ud over qubit-paradigmet og bruger kontinuerlige variabler (CV) kvantetilstande. I et CV kvantesystem, er informationen kodet i amplitude- og fasakvadraturer af en harmonisk oscillator, som en mikro-bølge-kavitet-felt. Disse kvadraturer kan tage en kontinuerlig række af værdier, ikke kun 0 og 1 som qubits.Ifølge seniorforfatter Dr. Simone Gasparinetti, leder af 202Q-laboratoriet på Chalmers Universitet:

“Vi har lavet et system, der kan udføre ekstremt komplekse operationer på et multi-tilstands kvantesystem, med en hidtil uset hastighed.”

CV-tilgangen har fordele over diskret variabel kvante-computing. (i) En enkelt CV-tilstand kan kode flere qubits værdi af information, hvilket betyder mindre hardware til fejl-tolerant kvante-computing. (ii) To, bevidstheden af CV-tilstande tillader bedre fejlkorrekturkoder, der er nødvendige for kvante-computing med støj og dekoherens.

Men et stort problem i CV kvante-computing er ikke-Gaussiske operationer, der er nødvendige for universel kvante-computing. Gaussiske operationer som displacement og kompression af oscillatortilstanden kan udføres med lineære optiske elementer eller mikro-bølge-kredsløb, men det er ikke nok til kvante-hastighed, da det kan simuleres klassisk.

Ikke-Gaussiske operationer kræver ikke-lineære interaktioner, der er meget sværere at lave og kontrollere. Tidligere forsøg på at kombinere CV-tilstande med ikke-lineære elementer er blevet forhindret af Kerr-effekten, der ødelægger kvantinformationen og reducerer operations-fideliteten.

Chalmers-holdet har løst dette ved at indlejre ikke-lineariteten inde i SNAIL-resonatoren. De opererer SNAIL’en ved et såkaldt “Kerr-frit” punkt, hvor den uønskede Kerr ikke-linearitet undertrykkes, og den tredje-ordens ikke-linearitet, der er nødvendig for ikke-Gaussiske operationer, bevares.

“Vores fællesskab har ofte forsøgt at holde superledende elementer væk fra kvantoscillatorer, ikke for at ødelægge de ødelagt kvantetilstande. I dette arbejde har vi udfordret denne paradigm. Ved at indlejre en kontrollerende enhed i hjertet af oscillatoren, kunne vi undgå at ødelægge de mange kvantetilstande, samtidig med at vi kunne kontrollere og manipulere dem. Som resultat demonstrerede vi en ny sæt af portale-operationer udført med meget høj hastighed.”

– Simone Gasparinetti

En universel portalesæt

For at vise, hvad de kan gøre, har de lavet en universel portalesæt på deres SNAIL-resonator-platform. Det inkluderer Gaussiske porte som displacement og kompression og en kubisk fase-porte, der er ikke-Gaussisk.

Gaussiske porte blev lavet ved at anvende mikro-bølge-pulser på bestemte frekvenser til SNAIL-kredsløbet. Drivning ved den fundamentale frekvens giver displacement, og drivning ved dobbelt den fundamentale frekvens giver kompression. Det er til forberedelse og manipulation af koherente og komprimerede tilstande, der er byggestenene for CV kvantinformationbehandling.

Kubisk fase-porten blev lavet ved at kombinere en “trikompressions”-interaktion (drivning ved tre gange den fundamentale frekvens) med drivninger ved lavere frekvenser. Det anvender en ikke-lineær faseshift på oscillatortilstanden, der er proportional med cuben af amplitude, hvorfor navnet “kubisk fase”.

Kubisk fase-porten er nødvendig for universel CV kvante-computing, da den laver højst ikke-klassiske tilstande som Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) tilstande, der er til fejl-tolerant kvante-fejlkorrektur. Kubisk fase-porten med Gaussiske porte laver en deterministisk ikke-Gaussisk tilstand kaldet “kubisk fase-tilstand”.

Portene, der er lavet af Chalmers-holdet, blev lavet med pulser så korte som få titals nanosekunder. Det er 10-100 gange hurtigere end tidligere implementationer med dispersiv qubit-oscillator-kobling. Det skyldes den stærke ikke-linearitet i SNAIL-resonatoren.

Bestemt kubisk fase-tilstandsforberedelse

Et andet eksempel er, at Chalmers-holdet bruger deres universelle portalesæt til at lave en højst ikke-klassisk kvantetilstand kaldet en kubisk fase-tilstand. Kubisk fase-tilstande er nødvendige for kvante-fejlkorrektur, kvante-metrologi og CV målingsbaseret kvante-computing.

Kubisk fase-tilstandsforberedelse blev lavet ved at anvende porte på grundtilstanden (vakuum) af SNAIL-resonatoren. Først blev en 20-ns kompressionsport anvendt for at lave en komprimeret vakuum-tilstand. Derefter blev en 40-ns kubisk fase-porte anvendt på denne komprimerede tilstand, og voilà, en kubisk fase-tilstand med en kubicitet på 0,11.

Tilstanden blev karakteriseret med Wigner-tomografi, der laver en fase-rumfordeling af kvantetilstanden. Wigner-funktionen var stærkt negativ, hvilket er ikke-klassisk og ikke kan ses i nogen klassisk oscillatortilstand.

Fideliteten af kubisk fase-tilstand i forhold til måltilstanden var 92%. De viste, at kubiciteten af tilstanden kan øges ved blot at udvide kubisk fase-portens varighed. Det er meget bedre end tidligere tilstandsforberedelsesmetoder, der krævede en fuld gen-optimering af kontrollsekvensen for hver kubicitetsværdi.

Rum for forbedring og fremtidigt arbejde

Selvom det, Chalmers-holdet har opnået, allerede er betydeligt, er der stadig mere at gøre:

SNAIL-resonator

En begrænsning af kvante-operationerne er koherenstiden af SNAIL-resonatoren. De har koherenstider på få mikrosekunder, hvilket er nok til nu, men længere koherenstider vil tillade mere komplekse og dybere kvante-kredsløb. Optimering af SNAIL-kredsløbsparametrene til at reducere flux-støj og skærmning og filtrering af mikro-bølge-miljøet er måder at forbedre koherenstiden på.

Dette inkluderer:

• Koherenstiden af SNAIL-resonatoren (få mikrosekunder er nok til nu, men længere vil tillade mere komplekse kredsløb)
• Optimering af SNAIL-kredsløbsparametrene til at reducere flux-støj
• Skærmning og filtrering af mikro-bølge-miljøet

Klik her for at lære, hvordan kvante-udsendere og infrarød-laser kan hjælpe os med at bygge den næste generation af kvante-computere.

Skalering

Et andet område at forbedre er skalering. Eksperimentet blev udført med en enkelt SNAIL, men en stor kvante-computer kræver multiple SNAIL’er. For at skale op, kan man bruge multiple SNAIL’er, hver forbundet til sin egen mikro-bølge-kavitet. Dette setup tillader oprettelse af multi-qubit porte og sammenflettede tilstande ved at designe koblingen mellem kaviteterne. Det kræver dog kontrol over fabrikation og justering af SNAIL’er til at være homogene og reproducerbare.

• Skalering (en enkelt SNAIL nu, men en stor kvante-computer kræver multiple)
• En matrix af SNAIL’er, hver med sin egen mikro-bølge-kavitet
• Multi-qubit porte og sammenflettede tilstande på tværs af matrixen ved kobling mellem kaviteterne
• Kontrol over fabrikation og justering af SNAIL’er til at være homogene og reproducerbare

Ud over at skale op antallet af CV-tilstande, skal vi også skale op antallet af fotoner i hver tilstand. SNAIL-resonatoren ikke-linearitet afviger fra dens ideelle adfærd ved højere fotonantal, hvilket begrænser størrelsen af det beregningsmæssige Hilbertrum.

En måde at løse dette på er at bruge en multi-SNAIL-design, hvor ikke-lineariteten af hver SNAIL er designet til at udligne hinanden ved højere ordre, samtidig med at de lavere-ordens interaktioner bevares.

Andre plausibler forbedringer inkluderer:

• Flere CV-tilstande
• Flere fotoner i hver tilstand
• Ikke-linearitet i SNAIL-resonatoren gør den afvigende fra dens ideelle adfærd ved højere fotonantal
• Begrænser størrelsen af det beregningsmæssige Hilbertrum
• Multi-SNAIL-design: ikke-linearitet af hver SNAIL udligner hinanden ved højere ordre, samtidig med at de lavere-ordens interaktioner bevares

Set fremad, ønsker Chalmers-holdet at integrere deres SNAIL-resonator-platform med andre kvante-computing-arkitekturer for at lave hybrid-systemer. For eksempel kan SNAIL-medierte interaktioner bruges til at sammenflette superledende qubits og CV-tilstande for at lave komplekse multi-qubit tilstande. De hurtige og effektive CV-porte i dette arbejde kan bruges til kvante-fejlkorrektur på kodet qubits, og det vil gøre mere robuste og skalerbare kvante-processorer.

En spændende udsigt at se frem til er at integrere SNAIL-resonator-platformen med optiske kvantesystemer. Superledende kredsløb er gode til kvante-computing, der opererer ved mikro-bølge-frekvenser og kryogene temperaturer, er gode til kvante-computing. I modsætning hertil er optiske kvantesystemer, der fungerer ved rumtemperatur, ideelle til langdistance kvante-kommunikation. Ved at udvikle en kvante-frekvensomformer, kan vi kombinere det bedste fra begge verdener for at skabe en skalerbar og netværks-kvante-computer.

Opsammenfattende

Hvad Chalmers-holdet har opnået, er en betydelig fremskridt for praktiske kvante-computere. De har brugt justerbar ikke-linearitet i superledende kredsløb til at udvikle en hardware-effektiv og kontrollerbar kvante-computer i stand til hurtigt og præcist at udføre komplekse operationer på multi-dimensionale kvantetilstande.

Dette repræsenterer en ny paradigm i CV-NISQ-computing. SNAIL-resonatorer kan løse svære problemer i kvantekemi, optimering og maskinlæring. Da denne teknologi modnes og skaler, vil det åbne op for anvendelser, der ikke er mulige med klassiske computere.

Men bygning af store, fejl-tolerante kvante-computere stiller stadig betydelige udfordringer, herunder koherenstiden af superledende kredsløb, antallet af qubits og CV-tilstande, og grænseflader mellem kvante-computing-platforme.

Trots disse udfordringer, har kvante-computing som en anvendt videnskab kommet langt, og Chalmers-holdet har spillet en instrumental rol i at løfte dens barrierer. De har tilføjet til kvante-computing-værktøjskassen og vist os nye måder at bruge kvantemekanik på. Nu er vi et skridt nærmere tilgængelig kvante-computing.

Da teori og eksperimenter bevæger sig hurtigere, har fremtiden for kvante-computing aldrig set bedre ud. Kvante-computere vil levere eksponentielle hastighedsforbedringer for en bred vifte af beregningsopgaver i felter som stofopdagelse, materialsdesign, kryptografi og kunstig intelligens. Kombineret med fremskridt i teknologier som AI, garanterer disse udviklinger os, at verden står på randen af transformative forandringer, der er svære at fuldt ud at forestille sig.

Klik her for en liste over de fem bedste kvante-computing-virksomheder.