Quantumcomputing een stap dichter bij de realiteit door gebruik te maken van harmonische oscillatoren

De race naar quantumcomputers is de afgelopen jaren erg heet geweest, met geneesmiddelenontdekking, materiaalkunde, optimalisatie, machine learning en cryptografie als slechts enkele van de gebieden die door de vooruitgang zullen worden gerevolutioneerd.

Maar ondanks alle vooruitgang wordt het bouwen van quantumcomputers die echte wereldproblemen oplossen belemmerd door drie grote uitdagingen: 

• Brosse quantumtoestanden
• Opschalen terwijl controle behouden blijft
• Coherentie behouden

Nu heeft een team van de Chalmers University of Technology in Zweden een belangrijke stap gezet in het aanpakken van deze uitdagingen en het versnellen van de ontwikkeling van praktische quantumcomputers. Ze recentelijk een nieuwe methode gepubliceerd in het tijdschrift Nature voor het manipuleren van quantuminformatie met behulp van afstelbare niet-lineariteit in supergeleidend circuit. Dit maakt het mogelijk om complexe bewerkingen op multidimensionale quantumtoestanden sneller en nauwkeuriger uit te voeren dan ooit tevoren.

Praktische quantumcomputers bouwen

In het hart van quantumcomputing staat het quantumbit, of qubit, de fundamentele eenheid van quantuminformatie. In tegenstelling tot klassieke bits, die 0 of 1 zijn, kunnen qubits zowel 0 als 1 zijn en alles daartussen. Qubits kunnen ook met elkaar verstrengeld worden, waardoor quantumcomputers sommige berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren dan klassieke computers. 

Het bereiken van dit vermogen is echter een aanzienlijke uitdaging geweest. Een van de grootste problemen is de broosheid van quantumtoestanden. Qubits zijn gevoelig voor hun omgeving en verliezen snel hun quantum‑eigenschappen door decoherentie, wat fouten in de quantumcomputatie introduceert en de diepte van berekeningen beperkt.

Een ander groot probleem is opschalen. Naarmate er meer qubits aan een quantumprocessor worden toegevoegd, wordt het moeilijker om de interacties tussen hen te controleren en de quantumpoorten te implementeren. Dit komt doordat de besturingssystemen en kruisbespreking tussen qubits complexer worden.

En er is een afweging tussen coherentie en bestuurbaarheid. Technieken die qubits coherenter maken, zoals foutcorrectiecodes, vereisen meer middelen en beperken sommige bewerkingen. Systemen die meer controle over individuele qubits hebben, zoals gevangen ionen of supergeleidend circuit, zijn lawaaieriger en vatbaarder voor decoherentie.

“Beschouw een qubit als een blauwe lamp die, kwantummechanisch, zowel aan als uit tegelijk kan zijn. Een continu‑variabel quantum systeem is daarentegen als een oneindige regenboog, die een naadloze kleurovergang biedt. Dit illustreert het vermogen om een enorm aantal toestanden te benaderen, wat veel rijkere mogelijkheden biedt dan de twee toestanden van een qubit.” 

– Axel Eriksson, onderzoeker in kwantumtechnologie aan de Chalmers University of Technology en hoofdauteur van de studie

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantumcomputing. 

Afstelbare niet-lineariteiten in supergeleidend circuit

Het team van Chalmers University, geleid door Drs. Axel M. Eriksson en Simone Gasparinetti, heeft deze problemen opgelost door gebruik te maken van supergeleidend circuit. Ze hebben een speciaal onderdeel ontwikkeld genaamd een Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator.
SNAILs zijn supergeleidend circuit‑elementen met sterke, afstelbare niet-lineariteit. Het is een supergeleidend lus met Josephson‑junctions, dunne isolerende barrières die Cooper‑paren (gebonden elektronenparen) laten tunnelen. Door de junctions asymmetrisch te rangschikken, hebben ze een circuit‑element met niet‑lineaire inductantie gecreëerd.

“We hebben een systeem gemaakt dat complexe bewerkingen op een multi‑state quantum systeem sneller uitvoert dan ooit tevoren.” 

– Hoofdauteur Dr. Simone Gasparinetti, leider van de 202Q‑lab aan de Chalmers University

Het belangrijkste wat het Chalmers‑team deed, was een SNAIL‑resonator in een supergeleidend microgolf‑caviteit te plaatsen, een bosonische modus voor het coderen van quantuminformatie. Ze pasten microgolf‑pulsen toe op dit hybride systeem en activeerden en deactiveerden de niet‑lineariteit in de SNAIL om allerlei quantumbewerkingen snel en nauwkeurig uit te voeren.

Continu‑variabele quantumcomputing

Een van de unieke aspecten van de aanpak van het Chalmers‑team is dat het verder gaat dan het qubit‑paradigma en gebruik maakt van continu‑variabele (CV) quantumtoestanden.

In een CV‑quantumsysteem wordt informatie gecodeerd in de amplitude‑ en fase‑kwadraturen van een harmonische oscillator, zoals een microgolf‑caviteitveld. Die kwadraturen kunnen een continu bereik van waarden aannemen, niet alleen 0 en 1 zoals qubits.

Volgens hoofdauteur Dr. Simone Gasparinetti, leider van de 202Q‑lab aan de Chalmers University:

“We hebben een systeem gecreëerd dat extreem complexe bewerkingen op een multi‑state quantum systeem mogelijk maakt, met een ongekende snelheid.” 

De CV‑aanpak heeft voordelen ten opzichte van discrete‑variabele quantumcomputing.

(i) Eén, een enkele CV‑modus kan meerdere qubits‑waarde aan informatie coderen, wat minder hardware betekent voor fouttolerante quantumcomputing.
(ii) Twee, de bewustheid van CV‑toestanden maakt betere fout‑correctiecodes mogelijk, die nodig zijn voor quantumcomputing met ruis en decoherentie.

Echter, een groot probleem in CV‑quantumcomputing zijn niet‑Gaussiaanse bewerkingen, die nodig zijn voor universele quantumcomputing. Gaussiaanse bewerkingen zoals verplaatsing en squeezen van de oscillator‑toestand kunnen worden uitgevoerd met lineaire optische elementen of microgolf‑circuits, maar dat is niet voldoende voor quantum‑snelheidswinst omdat het klassiek gesimuleerd kan worden.

Niet‑Gaussiaanse bewerkingen vereisen niet‑lineaire interacties, die veel moeilijker te maken en te controleren zijn. Eerdere pogingen om CV‑modi te combineren met niet‑lineaire elementen werden belemmerd door het Kerr‑effect, dat de quantuminformatie verstoort en de bewerkings‑fideliteit vermindert.

Het Chalmers‑team heeft dit opgelost door de niet‑lineariteit in de SNAIL‑resonator te ontwerpen. Ze opereren de SNAIL op een zogenaamd “Kerr‑vrije” punt, waar de ongewenste Kerr‑niet‑lineariteit onderdrukt wordt, en de derde‑orde niet‑lineariteit die nodig is voor niet‑Gaussiaanse bewerkingen behouden blijft.

“Onze gemeenschap heeft vaak geprobeerd supergeleidend elementén weg te houden van quantum‑oscillatoren, om de broze quantumtoestanden niet te verstoren. In dit werk hebben we dit paradigma uitgedaagd. Door een regelapparaat in het hart van de oscillator te integreren, konden we de vele quantumtoestanden manipuleren zonder ze te verstoren, en tegelijkertijd ze te besturen. Als resultaat hebben we een nieuwe reeks poortbewerkingen gedemonstreerd die met zeer hoge snelheid worden uitgevoerd.” 

– Simone Gasparinetti

Een universele poortset

Om te laten zien wat ze kunnen, hebben ze een universele poortset gemaakt op hun SNAIL‑resonator platform. Die omvat Gaussiaanse poorten zoals verplaatsing en squeezen en een kubische fasepoort, die niet‑Gaussiaans is.

De Gaussiaanse poorten werden gemaakt door microgolf‑pulsen op specifieke frequenties op het SNAIL‑circuit toe te passen. Aansturing op de fundamentele frequentie geeft verplaatsing, en aansturing op twee keer de fundamentele frequentie geeft squeezen. Dat is voor het voorbereiden en manipuleren van coherente en gesqueezde toestanden, de bouwstenen voor CV‑quantuminformatie‑verwerking.

De kubische fasepoort werd gemaakt door een “trisqueezing” interactie (aansturing op drie keer de fundamentele frequentie) te combineren met aansturingen op lagere frequenties. Dat brengt een niet‑lineaire faseverschuiving aan de oscillator‑toestand die evenredig is aan de derde macht van de amplitude, vandaar de naam “kubische fase”.

De kubische fasepoort is nodig voor universele CV‑quantumcomputing omdat het sterk niet‑klassieke toestanden zoals Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP) toestanden produceert, die nodig zijn voor fouttolerante quantum‑foutcorrectie. De kubische fasepoort samen met Gaussiaanse poorten maakt een deterministische niet‑Gaussiaanse toestand genaamd de “kubische fase‑toestand”.

De poorten die door het Chalmers‑team werden gemaakt, werden aangestuurd met pulsen zo kort als tientallen nanoseconden. Dat is 10‑100 keer sneller dan eerdere implementaties met dispersieve qubit‑oscillator koppelingen. Dat komt door de sterke niet‑lineariteit in de SNAIL‑resonator.

Deterministische kubische fase‑toestand voorbereiding

Een ander voorbeeld is het Chalmers‑team dat hun universele poortset gebruikt om een sterk niet‑klassieke quantumtoestand te maken, een kubische fase‑toestand. Kubische fase‑toestanden zijn nodig voor quantum‑foutcorrectie, kwantummetrologie en CV‑meet‑gebaseerde quantumcomputing.

De voorbereiding van de kubische fase‑toestand werd uitgevoerd door poorten toe te passen op de grondtoestand (vacuum) van de SNAIL‑resonator. Eerst werd een 20‑ns squeezenpoort toegepast om een gesqueezde vacuümtoestand te maken. Vervolgens werd een 40‑ns kubische fasepoort op die gesqueezde toestand toegepast, en voilà, een kubische fase‑toestand met een kubiciteit van 0,11.

De toestand werd gekarakteriseerd met Wigner‑tomografie, die een fase‑ruimtedistributie van de quantumtoestand maakt. De Wigner‑functie was sterk negatief, wat niet‑klassiek is en niet in een klassieke oscillator‑toestand kan worden gezien.

De fideliteit van de kubische fase‑toestand ten opzichte van de doeltaestand was 92 %. Ze toonden aan dat de kubiciteit van de toestand kan worden verhoogd door simpelweg de duur van de kubische fasepoort te verlengen. Dat is veel beter dan eerdere methoden, die een volledige heroptimalisatie van de besturingsreeks voor elke kubiciteitswaarde vereisten.

Ruimte voor verbetering en toekomstig werk

Hoewel wat het Chalmers‑team heeft bereikt al lovenswaardig is, is er nog meer te doen:

SNAIL‑resonator

Een beperking van de quantumbewerkingen is de coherentie‑tijd van de SNAIL‑resonator. Ze hebben coherentie‑tijden van enkele microseconden, wat voorlopig voldoende is, maar langere coherentie‑tijden zullen meer complexe en diepere quantumcircuits mogelijk maken. Het optimaliseren van de SNAIL‑circuit‑parameters om flux‑ruis te verminderen en het afschermen en filteren van de microgolf‑omgeving zijn manieren om de coherentie te verbeteren.

Dit omvat:

• Coherentie‑tijd van de SNAIL‑resonator (enkele microseconden zijn voorlopig voldoende, maar langer zal meer complexe circuits mogelijk maken)
• Optimaliseren van SNAIL‑circuit‑parameters om flux‑ruis te verminderen
• Afschermen en filteren van de microgolf‑omgeving

Klik hier om te leren hoe quantum‑emitters en infrarood‑lasers ons kunnen helpen de volgende generatie quantumcomputers te bouwen.

Schaalbaarheid

Een ander verbeteringsgebied is schaalbaarheid. Het experiment werd uitgevoerd met één SNAIL, maar een grootschalige quantumcomputer heeft meerdere SNAILs nodig. Om op te schalen, kan men meerdere SNAILs gebruiken, elk verbonden met een eigen microgolf‑caviteit. Deze opstelling maakt het mogelijk om multi‑qubit‑poorten en verstrengelde toestanden te creëren door de koppeling tussen de caviteiten te ontwerpen. Dit vereist echter controle over de fabricage en afstemming van de SNAILs zodat ze homogeen en reproduceerbaar zijn.

• Schaalbaarheid (nu één SNAIL, maar een grootschalige quantumcomputer heeft meerdere nodig)
• Een array van SNAILs, elk met een eigen microgolf‑caviteit
• Multi‑qubit‑poorten en verstrengelde toestanden over de array door koppeling tussen caviteiten
• Controle over fabricage en afstemming van SNAILs zodat ze homogeen en reproduceerbaar zijn

Naast het opschalen van het aantal CV‑modi, moeten we ook het aantal fotonen in elke modus opschalen. De niet‑lineariteit van de SNAIL‑resonator wijkt af van het ideale gedrag bij hogere foton‑aantallen, wat de grootte van de computationele Hilbert‑ruimte beperkt. 

Een manier om dat op te lossen is een multi‑SNAIL‑ontwerp te gebruiken waarbij de niet‑lineariteit van elke SNAIL zo wordt ontworpen dat deze op hogere orde wordt geannuleerd terwijl de lagere‑orde interacties behouden blijven.

Andere plausibele vooruitgangen omvatten:

• Meer CV‑modi
• Meer fotonen in elke modus
• Niet‑lineariteit in de SNAIL‑resonator maakt dat deze afwijkt van ideaal gedrag bij hogere foton‑aantallen
• Beperkt de grootte van de computationele Hilbert‑ruimte
• Multi‑SNAIL‑ontwerp: niet‑lineariteit van elke SNAIL wordt geannuleerd op hogere orde terwijl lagere‑orde interacties behouden blijven

Kijkend naar de toekomst wil het Chalmers‑team hun SNAIL‑resonator platform integreren met andere quantumcomputing‑architecturen om hybride systemen te maken. Bijvoorbeeld, SNAIL‑gemedieerde interacties kunnen worden gebruikt om supergeleidend qubits en CV‑modi te verstrengelen tot complexe multi‑qubit‑toestanden. De snelle en efficiënte CV‑poorten in dit werk kunnen worden gebruikt voor quantum‑foutcorrectie op gecodeerde qubits, en dat zal robuustere en schaalbare quantumprocessoren opleveren.
Een opwindend vooruitzicht is het integreren van het SNAIL‑resonator platform met optische quantum‑systemen. Supergeleidend circuit is goed voor quantumcomputing, werkt op microgolf‑frequenties en cryogene temperaturen. Daarentegen zijn optische quantum‑systemen, die bij kamertemperatuur functioneren, ideaal voor lange‑afstand quantumcommunicatie. Door een quantum‑frequentie‑omzetter te ontwikkelen, kunnen we het beste van beide werelden combineren om een schaalbare en netwerk‑gebaseerde quantumcomputer te creëren.

Samenvatting

Wat het Chalmers‑team heeft bereikt, is een belangrijke vooruitgang voor praktische quantumcomputers. Ze hebben afstelbare niet‑lineariteit in supergeleidend circuit gebruikt om een hardware‑efficiënte en bestuurbare quantumcomputer te ontwikkelen die snel en nauwkeurig complexe bewerkingen op multidimensionale quantumtoestanden kan uitvoeren.

Dit vertegenwoordigt een nieuw paradigma in CV‑NISQ computing. SNAIL‑resonatoren kunnen moeilijke problemen in quantumchemie, optimalisatie en machine learning oplossen. Naarmate deze technologie rijpt en opschaalt, zal ze toepassingen openen die niet mogelijk zijn met klassieke computers.

Echter, het bouwen van grootschalige, fouttolerante quantumcomputers blijft aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengen, waaronder de coherentie‑tijd van supergeleidend circuit, het aantal qubits en CV‑modi, en interfaces tussen quantumcomputing‑platformen.

Ondanks deze uitdagingen is quantumcomputing als toegepaste wetenschap een lange weg afgelegd, en het Chalmers‑team heeft een instrumentale rol gespeeld in het verleggen van de grenzen. Ze hebben de quantumcomputing‑toolbox uitgebreid en ons nieuwe manieren laten zien om kwantummechanica te gebruiken. Nu zijn we een stap dichter bij toegankelijke quantumcomputing.

Naarmate theorie en experimenten sneller gaan, ziet de toekomst van quantumcomputing er nog beter uit. Quantumcomputers zullen exponentiële snelheidswinst leveren voor een breed scala aan computationele taken in gebieden zoals geneesmiddelenontdekking, materiaalkunde, cryptografie en kunstmatige intelligentie. In combinatie met vooruitgang in technologieën zoals AI, verzekert dit ons dat de wereld op de rand staat van transformerende veranderingen die moeilijk volledig te visualiseren zijn.

Klik hier voor een lijst van de vijf beste quantumcomputing‑bedrijven.