Operații cuantice ultra-rapide: 6,8 nanosecunde cu o precizie de peste 99,98%
Cercetătorii de la centrul de cercetare Jülich, împreună cu echipe de la Aachen și Köln, au reușit să efectueze o operație cuantică pe un qubit în doar 6,8 nanosecunde, cu o acuratețe de peste 99,98%. În mod obișnuit, astfel de operații durează câteva zeci de nanosecunde în calculatoarele cuantice supraconductoare. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Communications.
6,8 nanosecunde reprezintă timpul necesar luminii pentru a parcurge aproximativ doi metri în vid. În această fracțiune de secundă, cercetătorii de la Institutul Peter Grünberg pentru Sisteme Cuantice Funcționale (PGI-13) și de la Institutul pentru Control Cuantic (PGI-8) din cadrul Forschungszentrum Jülich au efectuat operații de calcul elementare pe un bit cuantic.
Viteza de comutare, un factor critic
Viteza de comutare este un factor critic în calculul cuantic, deoarece qubiții sunt sensibili și își păstrează stările cuantice doar o perioadă limitată de timp. Cu cât operațiile individuale pot fi efectuate mai rapid, cu atât mai multe pot fi incluse în această fereastră temporală, ceea ce este important pentru algoritmii complecși și pentru corecția erorilor, care consumă multe resurse.
Cu toate acestea, cu cât impulsurile de microunde folosite pentru comutarea qubiților sunt mai scurte, cu atât acestea trebuie să fie mai puternice, ceea ce crește riscul unei excitări nedorite. Qubiții supraconductori posedă mai mult de două stări energetice utilizate pentru calcul, iar o excitare prea puternică îi poate determina să treacă involuntar către niveluri energetice superioare.
Un efect trecut cu vederea până acum
Echipa a constatat că impulsurile puternice și rapide de microunde pot nu doar să împingă informația cu un nivel peste destinația dorită, ci și cu două sau trei niveluri mai sus, prin așa-numitele tranziții multifotonice — un efect trecut cu vederea până acum. Aceste tranziții sunt deosebit de periculoase, deoarece pot persista pe parcursul mai multor pași de calcul și pot afecta corecția erorilor cuantice.
Într-o colaborare strânsă între grupul experimental al lui Yuan Gao și al profesorului Rami Barends (PGI-13) și grupul teoretic al lui José da Costa Jesus, al dr. Francisco Cárdenas-López și al profesorului Felix Motzoi (PGI-8), echipa a dezvoltat o metodă care suprimă în mod specific aceste tranziții. Impulsurile de control sunt modelate cu o precizie deosebită, iar anumite componente de frecvență sunt suprimate, similar unui filtru de frecvență. Astfel, impulsurile declanșează în continuare operația de calcul dorită, dar abia excită tranziții către stări energetice superioare.
Metoda R2D și rezultatele măsurate
Noua metodă, numită R2D, se bazează pe metoda DRAG, tehnica de corecție standard folosită de peste un deceniu pentru controlul qubiților. Comparativ cu metoda standard anterioară, noua abordare reduce probabilitatea tranzițiilor multifotonice nedorite cu un factor de peste 20.
Rezultatele au fost obținute în cadrul proiectului colaborativ de amploare QSOLID. Metoda a fost testată pe un singur qubit transmon supraconductor, fabricat la Helmholtz Nano Facility din cadrul Forschungszentrum Jülich. Au fost efectuate două operații cuantice fundamentale cu ajutorul impulsurilor de microunde, fiecare durând doar 6,8 nanosecunde. Acuratețile măsurate au fost de 99,981% și, respectiv, 99,989%, iar probabilitatea ca qubitul să treacă involuntar către o stare energetică superioară a rămas sub 0,002% per operație.
Teste suplimentare necesare
Până în prezent, metoda a fost testată doar pe un singur qubit izolat. Sunt necesare experimente suplimentare pentru a determina dacă funcționează la fel de bine în procesoare cuantice mai mari și în operațiile care implică doi qubiți.
Rezultatele nu stabilesc doar un nou punct de referință pentru porțile cuantice, ci aprofundează și înțelegerea sistemului cuantic, oferind informații valoroase pentru îmbunătățiri viitoare. Lucrarea a demonstrat că timpi de comutare extrem de scurți și o precizie ridicată pot fi atinse simultan.
