Kvantberäkning ett steg närmare verkligheten genom att utnyttja harmoniska oscillatorer

Kvantdatorracet har varit intensivt de senaste åren, med läkemedelsupptäckt, materialvetenskap, optimering, maskininlärning och kryptografi som bara några av de områden som kommer att revolutioneras av dess framsteg.

Men trots alla framsteg har byggandet av kvantdatorer som löser verkliga problem hindrats av tre stora utmaningar: 

• Sköra kvanttillstånd
• Skala upp samtidigt som kontrollen bibehålls
• Bevara koherens

Nu har ett team vid Chalmers University of Technology i Sverige tagit ett betydande steg för att tackla dessa utmaningar och påskynda utvecklingen av praktiska kvantdatorer. De publicerade nyligen en ny metod i tidskriften Nature för att manipulera kvantinformation med hjälp av justerbar icke‑linjäritet i supraledande kretsar. Detta möjliggör komplexa operationer på multidimensionella kvanttillstånd som kan utföras snabbare och mer exakt än någonsin tidigare.

Bygga praktiska kvantdatorer

I kärnan av kvantdatorer finns kvantbiten, eller qubit, den grundläggande enheten för kvantinformations. Till skillnad från klassiska bitar, som är antingen 0 eller 1, kan qubitar vara både 0 och 1 samt allt däremellan. Qubitar kan också vara intrasslade med varandra, vilket gör att kvantdatorer kan utföra vissa beräkningar mycket snabbare än klassiska datorer. 

Att nå denna förmåga har dock varit en betydande utmaning. Ett av de största problemen är kvanttillståndens skörhet. Qubitar är känsliga för sin omgivning och förlorar snabbt sina kvantegenskaper genom decoherens, vilket introducerar fel i kvantberäkningarna och begränsar beräkningarnas djup.

Ett annat stort problem är skalning. När fler qubitar läggs till i en kvantprocessor blir det svårare att kontrollera interaktionerna mellan dem och att implementera kvantportar. Detta beror på att kontrollsystemen och korsprat mellan qubitar blir mer komplexa.

Och det finns en avvägning mellan koherens och kontrollerbarhet. Tekniker som gör qubitar mer koherenta, som felkorrigeringskoder, kräver mer resurser och begränsar vissa operationer. System som har mer kontroll över enskilda qubitar, som fångade joner eller supraledande kretsar, är bullriga och mer benägna att decohera.

“Tänk på en qubit som en blå lampa som, kvantmekaniskt, kan vara både på och av samtidigt. I kontrast är ett kontinuerligt variabelt kvantsystem som en oändlig regnbåge, som erbjuder ett sömlöst färggradient. Detta illustrerar dess förmåga att nå ett enormt antal tillstånd, vilket ger mycket rikare möjligheter än qubitens två tillstånd.” 

– Axel Eriksson, forskare i kvantteknik vid Chalmers University of Technology och huvudförfattare till studien

Klicka här för att lära dig om den nuvarande statusen för kvantdatorer. 

Justerbara icke‑linjäriteter i supraledande kretsar

Chalmers University‑teamet, lett av Dr. Axel M. Eriksson och Simone Gasparinetti, har löst dessa problem genom att använda supraledande kretsar. De har utvecklat en speciell komponent som kallas Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator.

SNAILs är supraledande kretskomponenter med stark, justerbar icke‑linjäritet. Det är en supraledande slinga med Josephson‑övergångar, tunna isolerande barriärer som tillåter Cooper‑par (bundna elektronpar) att tunnla igenom. Genom att arrangera övergångarna asymmetriskt har de skapat en kretskomponent med icke‑linjär induktans.

“Vi har skapat ett system som utför komplexa operationer på ett fler‑tillstånds kvantsystem snabbare än någonsin tidigare.”

– Seniorförfattare Dr. Simone Gasparinetti, ledare för 202Q‑labbet vid Chalmers University

Det viktigaste som Chalmers‑teamet gjorde var att placera en SNAIL‑resonator inuti en supraledande mikrovågskavitet, som är ett bosoniskt läge för kodning av kvantinformations. De applicerade mikrovågspulser på detta hybrida system och aktiverade samt deaktiverade icke‑linjäriteten i SNAIL för att utföra alla möjliga kvantoperationer snabbt och exakt.

Kontinuerlig‑variabel kvantdatorer

En av de unika aspekterna av Chalmers‑teamets tillvägagångssätt är att det går bortom qubit‑paradigmet och använder kontinuerliga variabla (CV) kvanttillstånd.

I ett CV‑kvantsystem kodas information i amplitud‑ och faskvadraturerna hos en harmonisk oscillator, som ett mikrovågskavitetsfält. Dessa kvadraturer kan anta ett kontinuerligt värdeintervall, inte bara 0 och 1 som qubitar.

Enligt seniorförfattare Dr. Simone Gasparinetti, ledare för 202Q‑labbet vid Chalmers University:

“Vi har skapat ett system som möjliggör extremt komplexa operationer på ett fler‑tillstånds kvantsystem, med en oöverträffad hastighet.”

CV‑tillvägagångssättet har fördelar jämfört med diskret‑variabel kvantdatorer. (i) En, ett enskilt CV‑läge kan koda information motsvarande flera qubitar, vilket innebär mindre hårdvara för feltolerant kvantdator. (ii) Två, medvetenheten om CV‑tillstånd möjliggör bättre felkorrigeringskoder, vilka behövs för kvantdatorer med brus och decoherens.

Dock är ett stort problem i CV‑kvantdatorer icke‑Gaussiska operationer, som behövs för universell kvantdator. Gaussiska operationer som förskjutning och komprimering av oscillatorns tillstånd kan utföras med linjära optiska element eller mikrovågskretsar, men det räcker inte för kvantaccelerering eftersom de kan simuleras klassiskt.

Icke‑Gaussiska operationer kräver icke‑linjära interaktioner, vilka är mycket svårare att skapa och kontrollera. Tidigare försök att kombinera CV‑lägen med icke‑linjära element har hindrats av Kerr‑effekten, som stör kvantinformations och minskar operationens noggrannhet.

Chalmers‑teamet har löst detta genom att konstruera icke‑linjäriteten i SNAIL‑resonatorn. De driver SNAIL vid en så kallad ”Kerr‑fri” punkt, där den oönskade Kerr‑icke‑linjäriteten undertrycks och den tredje ordningens icke‑linjäritet som behövs för icke‑Gaussiska operationer bevaras.

“Vår gemenskap har ofta försökt hålla supraledande element borta från kvantoscillatorer, för att inte förvirra de sköra kvanttillstånden. I detta arbete har vi utmanat detta paradigm. Genom att integrera en styrande enhet i oscillatorns hjärta kunde vi undvika att förvirra de många kvanttillstånden samtidigt som vi kunde kontrollera och manipulera dem. Som resultat demonstrerade vi en ny uppsättning portoperationer utförda med mycket hög hastighet.”

– Simone Gasparinetti

En universell portuppsättning

För att visa vad de kan göra har de skapat en universell portuppsättning på sin SNAIL‑resonatorplattform. Den inkluderar Gaussiska portar som förskjutning och komprimering samt en kubisk fasport, som är icke‑Gaussisk.

De Gaussiska portarna skapades genom att applicera mikrovågspulser med specifika frekvenser på SNAIL‑kretsen. Drivning vid grundfrekvensen ger förskjutning, och drivning vid dubbla grundfrekvensen ger komprimering. Detta är för att förbereda och manipulera koherenta och komprimerade tillstånd, vilka är byggstenarna för CV‑kvantinformationsbehandling.

Den kubiska fasporten skapades genom att kombinera en ”triskjutnings”‑interaktion (drivning vid tre gånger grundfrekvensen) med drivningar vid lägre frekvenser. Detta applicerar en icke‑linjär fasförskjutning på oscillatorns tillstånd som är proportionell mot amplitudens kub, därav namnet ”kubisk fas”.

Den kubiska fasporten behövs för universell CV‑kvantdator eftersom den skapar starkt icke‑klassiska tillstånd som Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP)‑tillstånd, vilka är för feltolerant kvantfelkorrigering. Den kubiska fasporten tillsammans med Gaussiska portar skapar ett deterministiskt icke‑Gaussiskt tillstånd som kallas ”kubisk fas‑tillstånd”.

Portarna som Chalmers‑teamet skapade använde pulser så korta som tiotals nanosekunder. Det är 10‑100 gånger snabbare än tidigare implementationer med dispersiva qubit‑oscillator‑kopplingar. Detta beror på den starka icke‑linjäriteten i SNAIL‑resonatorn.

Deterministisk förberedelse av kubisk fas‑tillstånd

Ett annat exempel är att Chalmers‑teamet använder sin universella portuppsättning för att skapa ett starkt icke‑klassiskt kvanttillstånd som kallas ett kubiskt fas‑tillstånd. Kubiska fas‑tillstånd behövs för kvantfelkorrigering, kvantmetrologi och CV‑mätbaserad kvantdator.

Förberedelsen av kubiskt fas‑tillstånd gjordes genom att applicera portar på grundtillståndet (vakuum) i SNAIL‑resonatorn. Först applicerades en 20‑ns komprimeringsport för att skapa ett komprimerat vakuumtillstånd. Därefter applicerades en 40‑ns kubisk fas‑port på det komprimerade tillståndet, och voilà, ett kubiskt fas‑tillstånd med en kubicitet på 0,11.

Tillståndet karaktäriserades med Wigner‑tomografi, som skapar en fasrumsfördelning av kvanttillståndet. Wigner‑funktionen var starkt negativ, vilket är icke‑klassiskt och kan inte ses i något klassiskt oscillator‑tillstånd.

Fideliteten för det kubiska fas‑tillståndet i förhållande till måltillståndet var 92 %. De visade att kubiciteten hos tillståndet kan ökas genom att helt enkelt förlänga kubisk fas‑ports varaktighet. Detta är mycket bättre än tidigare metoder för tillståndsförberedelse, som krävde en fullständig omoptimering av kontrollsekvensen för varje kubicitetsvärde.

Utrymme för förbättringar och framtida arbete

Även om det Chalmers‑teamet har gjort redan är lovvärt, finns det fortfarande mer att göra:

SNAIL‑resonator

En begränsning för kvantoperationerna är koherenstiden för SNAIL‑resonatorn. De har koherenstider på några mikrosekunder, vilket räcker för tillfället, men längre koherenstider möjliggör mer komplexa och djupare kvantkretsar. Att optimera SNAIL‑kretsparametrarna för att minska flödesbrus samt avskärmning och filtrering av mikrovågsmiljön är sätt att förbättra koherensen.

Detta inkluderar:

• Koherenstid för SNAIL‑resonatorn (några mikrosekunder räcker för tillfället, men längre tider möjliggör mer komplexa kretsar)
• Optimera SNAIL‑kretsparametrar för att minska flödesbrus
• Avskärmning och filtrering av mikrovågsmiljön

Klicka här för att lära dig hur kvantutstrålare och infraröda laser kan hjälpa oss att bygga nästa generation av kvantdatorer.

Skalbarhet

Ett annat område att förbättra är skalbarhet. Experimentet utfördes med en SNAIL, men en storskalig kvantdator kräver flera SNAIL‑enheter. För att skala upp kan man använda flera SNAIL‑enheter, var och en kopplad till sin egen mikrovågskavitet. Denna konfiguration möjliggör skapandet av fler‑qubit‑portar och intrasslade tillstånd genom att designa kopplingen mellan kavitetterna. Detta kräver dock kontroll över tillverkning och justering av SNAIL‑enheterna för att vara homogena och reproducerbara.

• Skalbarhet (en SNAIL nu, men en storskalig kvantdator kräver flera)
• En matris av SNAIL‑enheter, var och en med sin egen mikrovågskavitet
• Fler‑qubit‑portar och intrasslade tillstånd över matrisen genom koppling mellan kavitetterna
• Kontroll över tillverkning och justering av SNAIL‑enheter för att vara homogena och reproducerbara

Förutom att skala upp antalet CV‑lägen måste vi också skala upp antalet fotoner i varje läge. SNAIL‑resonatorns icke‑linjäritet avviker från sitt ideala beteende vid högre fotonantal, vilket begränsar storleken på det beräkningsmässiga Hilbertrummet.

Ett sätt att åtgärda detta är att använda en multi‑SNAIL‑design där icke‑linjäriteten hos varje SNAIL är konstruerad för att annullera på högre ordningar samtidigt som de lägre ordningarnas interaktioner bevaras.

Andra möjliga framsteg inkluderar:

• Fler CV‑lägen
• Fler fotoner i varje läge
• Icke‑linjäritet i SNAIL‑resonatorn gör att den avviker från idealbeteende vid högre fotonantal
• Begränsar storleken på det beräkningsmässiga Hilbertrummet
• Multi‑SNAIL‑design: icke‑linjäriteten hos varje SNAIL annulleras på högre ordningar samtidigt som lägre ordningars interaktioner bevaras

Framåt ser Chalmers‑teamet att integrera sin SNAIL‑resonatorplattform med andra kvantdatorarkitekturer för att skapa hybrida system. Till exempel kan SNAIL‑medierade interaktioner användas för att intrassla supraledande qubitar och CV‑lägen för att skapa komplexa fler‑qubit‑tillstånd. De snabba och effektiva CV‑portarna i detta arbete kan användas för kvantfelkorrigering på kodade qubitar, vilket kommer att göra kvantprocessorer mer robusta och skalbara.

En spännande möjlighet att se fram emot är att integrera SNAIL‑resonatorplattformen med optiska kvantsystem. Supraledande kretsar är bra för kvantdatorer, de arbetar vid mikrovågsfrekvenser och kryogena temperaturer, vilket är fördelaktigt för kvantdatorer. I kontrast är optiska kvantsystem, som fungerar vid rumstemperatur, idealiska för långdistans kvantkommunikation. Genom att utveckla en kvantfrekvensomvandlare kan vi kombinera det bästa av båda världarna för att skapa en skalbar och nätverkad kvantdator.

Avslutning

Det som Chalmers‑teamet har uppnått är ett stort framsteg för praktiska kvantdatorer. De har använt justerbar icke‑linjäritet i supraledande kretsar för att utveckla en hårdvarueffektiv och kontrollerbar kvantdator som kan utföra komplexa operationer på multidimensionella kvanttillstånd snabbt och exakt.

Detta representerar ett nytt paradigm inom CV‑NISQ‑beräkning. SNAIL‑resonatorer kan lösa svåra problem inom kvantkemi, optimering och maskininlärning. När teknologin mognar och skalar kommer den att öppna upp applikationer som inte är möjliga med klassiska datorer.

Att bygga storskaliga, feltoleranta kvantdatorer innebär fortfarande betydande utmaningar, inklusive koherenstiden för supraledande kretsar, antalet qubitar och CV‑lägen samt gränssnitt mellan kvantdatorplattformar.

Trots dessa utmaningar har kvantdatorer som en tillämpad vetenskap kommit långt, och Chalmers‑teamet har spelat en viktig roll i att driva dess gränser. De har lagt till verktyg i kvantdatorverktygslådan och visat oss nya sätt att använda kvantmekanik. Nu är vi ett steg närmare tillgänglig kvantdator.

Allteftersom teori och experiment går snabbare har framtiden för kvantdatorer aldrig sett bättre ut. Kvantdatorer kommer att leverera exponentiella hastighetsökningar för ett brett spektrum av beräkningsuppgifter inom områden som läkemedelsupptäckt, materialdesign, kryptografi och artificiell intelligens. I kombination med framsteg inom teknologier som AI försäkrar dessa utvecklingar oss om att världen står på tröskeln till transformerande förändringar som är svåra att föreställa sig helt.

Klicka här för en lista över de fem bästa kvantdatorföretagen.