En la impresión artística de un experimento reciente del MIT, una esfera central representa un qubit, que es irradiado por dos señales de control: carga (azul) y flujo (púrpura). Estas señales de control están diseñadas de manera que su combinación crea un microondas polarizado circularmente que es inmune a los efectos de contrarrotación. Las señales están formadas por una forma de onda repetida, que representa la similitud de los pulsos de control resultantes de la técnica de conducción acorde de los autores. Crédito: Sampson Wilcox / Laboratorio de Investigación de Electrónica

La computación cuántica promete resolver problemas complejos exponencialmente más rápido que una computadora clásica, utilizando los principios de la mecánica cuántica para codificar y manipular información en bits cuánticos (qubits).

Los qubits son los componentes básicos de una computadora cuántica. Sin embargo, un desafío para el escalado es que los qubits son muy sensibles al ruido de fondo y controlan las imperfecciones, lo que introduce errores en las operaciones cuánticas y, en última instancia, limitan la complejidad y la duración de un algoritmo cuántico. Para mejorar la situación, los investigadores del MIT y de todo el mundo se han centrado continuamente en mejorar el rendimiento de los qubits.

En un nuevo trabajo, utilizando un qubit superconductor llamado fluxonio, los investigadores del MIT en el Departamento de Física, el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) desarrollaron dos nuevas técnicas de control para lograr un mundo- registra una fidelidad de un solo qubit del 99,998%. Este resultado complementa la demostración del año pasado del entonces investigador del MIT Leon Ding de una fidelidad de puerta de dos qubits del 99,92%.

Los hallazgos son publicado en el diario PRX cuántico.

Los autores principales del artículo son David Rower, Ph.D., un reciente postdoctorado en física en el grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos (EQuS) del MIT y ahora científico investigador en el laboratorio Google Quantum AI; Leon Ding Ph.D., de EQuS, que ahora dirige el equipo de Calibración en Atlantic Quantum; y William D. Oliver, profesor Henry Ellis Warren de EECS y profesor de física, líder de EQuS, director del Centro de Ingeniería Cuántica y director asociado de RLE.

Errores de decoherencia y contrarrotación.

Un desafío importante de la computación cuántica es la decoherencia, un proceso por el cual los qubits pierden su información cuántica. Para plataformas como la decoherencia obstaculiza la realización de puertas cuánticas de mayor fidelidad.

Las computadoras cuánticas necesitan lograr altas fidelidades de puerta para poder implementar computación sostenida a través de protocolos como el cuántico. corrección. Cuanto mayor sea la fidelidad de la puerta, más fácil será realizar computación cuántica práctica.

Los investigadores del MIT están desarrollando técnicas para hacer que las puertas cuánticas, las operaciones básicas de una computadora cuántica, sean lo más rápidas posible para reducir el impacto de la decoherencia. Sin embargo, a medida que las puertas se vuelven más rápidas, se puede introducir otro tipo de error, que surge de la dinámica contrarrotante, debido a la forma en que se controlan los qubits mediante ondas electromagnéticas.

Las puertas de un solo qubit generalmente se implementan con un pulso resonante, que induce oscilaciones de Rabi entre los estados del qubit. Sin embargo, cuando los pulsos son demasiado rápidos, las «puertas Rabi» no son tan consistentes debido a errores no deseados debidos a efectos contrarrotativos. Cuanto más rápida es la puerta, más manifiesto es el error de contrarrotación. Para qubits de baja frecuencia como el fluxonio, los errores de contrarrotación limitan la fidelidad de las puertas rápidas.

«Deshacernos de estos errores fue un desafío divertido para nosotros», dice Rower. «Inicialmente, Leon tuvo la idea de utilizar motores de microondas polarizados circularmente, análogos a la luz polarizada circularmente, pero lo logró controlando la fase relativa de carga y los motores de flujo de un qubit superconductor. Un motor polarizado circularmente de este tipo sería idealmente inmune a la rotación contraria. errores.»

Si bien la idea de Ding funcionó de inmediato, las fidelidades logradas con unidades polarizadas circularmente no fueron tan altas como se esperaba de las mediciones de coherencia.

«Al final se nos ocurrió una idea muy sencilla», afirma Rower. «Si aplicáramos pulsos exactamente en los momentos correctos, deberíamos ser capaces de hacer que los errores de contrarrotación sean consistentes de un pulso a otro. Esto haría que los errores de contrarrotación fueran corregibles. Aún mejor, se contabilizarían automáticamente con nuestro calibraciones habituales de la puerta Rabi.»

Llamaron a esta idea «pulsos proporcionales», ya que los pulsos debían aplicarse en momentos acordes con los intervalos determinados por la frecuencia del qubit a través de su inverso, el período de tiempo. Los pulsos proporcionales se definen simplemente mediante restricciones de tiempo y se pueden aplicar a una única unidad de qubit lineal. Por el contrario, las microondas polarizadas circularmente requieren dos unidades y alguna calibración adicional.

«Me divertí mucho desarrollando la técnica correspondiente», dice Rower. «Era simple, entendimos por qué funcionaba tan bien y debería ser portátil a cualquier qubit que sufriera errores de contrarrotación.

«Este proyecto deja claro que los errores de rotación contraria se pueden solucionar fácilmente. Esto es algo maravilloso para los qubits de baja frecuencia como el fluxonio, que parecen cada vez más prometedores para la computación cuántica».

La promesa del fluxonio

Fluxonium es un tipo de qubit superconductor formado por un condensador y una unión Josephson; Sin embargo, a diferencia de los qubits transmon, el fluxonio también incluye un gran «superinductor» que, por diseño, ayuda a proteger el qubit del ruido ambiental. Esto da como resultado la realización de operaciones lógicas, o puertas, con mayor precisión.

Sin embargo, a pesar de tener una mayor coherencia, el fluxonio tiene una frecuencia de qubit más baja que generalmente se asocia con puertas proporcionalmente más largas.

«Aquí hemos demostrado una puerta que se encuentra entre las más rápidas y de mayor fidelidad de todos los qubits superconductores», dice Ding. «Nuestros experimentos realmente muestran que el fluxonio es un qubit que admite exploraciones físicas interesantes y que también cumple absolutamente en términos de rendimiento de ingeniería».

Con más investigaciones, esperan revelar nuevas limitaciones y generar puertas aún más rápidas y de mayor fidelidad.

«La dinámica contrarrotante ha sido poco estudiada en el contexto de la computación cuántica superconductora debido a lo bien que se mantiene la aproximación de la onda giratoria en escenarios comunes», dice Ding. «Nuestro artículo muestra cómo calibrar con precisión puertas rápidas de baja frecuencia donde la aproximación de la onda giratoria no se cumple».

La física y la ingeniería se unen

«Este es un maravilloso ejemplo del tipo de trabajo que nos gusta hacer en EQuS, porque aprovecha conceptos fundamentales tanto de física como de ingeniería eléctrica para lograr un mejor resultado», dice Oliver. «Se basa en nuestro trabajo anterior con el control de qubits no adiabáticos, lo aplica a un nuevo qubit (el fluxonio) y establece una hermosa conexión con la dinámica contrarrotante».

Los equipos de ciencia e ingeniería permitieron la alta fidelidad de dos maneras. En primer lugar, el equipo demostró un control no adiabático «conmensurable» (sincrónico), que va más allá de la «aproximación de onda giratoria» estándar de los enfoques estándar de Rabi. Esto aprovecha ideas que ganaron el Premio Nobel de Física 2023 por pulsos de luz ultrarrápidos de «attosegundos».

En segundo lugar, lo demostraron utilizando una luz analógica a polarizada circularmente. En lugar de un campo electromagnético físico con un vector de polarización giratorio en el espacio xy real, realizaron una versión sintética de luz polarizada circularmente utilizando el espacio xy del qubit, que en este caso corresponde a su flujo magnético y carga eléctrica.

La combinación de una nueva versión de un diseño de qubit existente (fluxonio) y la aplicación de métodos de control avanzados aplicados a la comprensión de la física subyacente permitieron este resultado.

Independiente de la plataforma y sin necesidad de calibración adicional, este trabajo establece estrategias sencillas para mitigar los efectos contrarrotativos de fuertes impulsos en electrodinámica cuántica de circuitos y otras plataformas, que los investigadores esperan que sean útiles en el esfuerzo por lograr un control de fallas de alta fidelidad. -Computación cuántica tolerante.

Oliver añade: «Con el reciente anuncio del chip cuántico Willow de Google que demostró por primera vez una corrección de errores cuánticos más allá del umbral, este es un resultado oportuno, ya que hemos impulsado el rendimiento aún más. Los qubits de mayor rendimiento conducirán a requisitos generales más bajos para implementar la corrección de errores.»

Más información:
David A. Rower et al, Supresión de errores de contrarrotación para puertas rápidas de un solo qubit con fluxonio, PRX cuántico (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.040342

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.

Citación: Los métodos de control rápido permiten una fidelidad récord en qubit superconductores (2025, 14 de enero) recuperado el 14 de enero de 2025 de https://phys.org/news/2025-01-fast-methods-enable-fidelity-superconducting.html

Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.



Source link