Formændring beskytter katte-qubit: 160 gange længere tid mellem én type fejl

En ændring af formen på kvantetilstande har gjort en særlig type kvantebit markant mere modstandsdygtig over for én fejltype. Forskere fra blandt andet det franske kvantefirma Alice & Bob rapporterer en 160-dobling af tiden mellem bit-flip-fejl sammenlignet med almindelige katte-qubits ved samme tidsskala for fasefejl.

Resultatet blev offentliggjort 22. oktober i Nature Communications. Forsøget handler om at beskytte information i en kvantekomponent, ikke om at gøre en hel kvantecomputer 160 gange hurtigere eller fejlfri. Gevinsten er netop interessant, fordi den forbedrer én beskyttelse uden en tilsvarende forværring af den anden centrale fejltype.

Information gemt i en svingning

En bosonisk qubit gemmer kvanteinformation i tilstande af en harmonisk oscillator. I stedet for kun at bruge to naturligt adskilte energiniveauer kan man udnytte oscillatorens større rum af mulige tilstande til en mere beskyttet kodning.

Katte-qubitten er et eksempel. Navnet henviser til Schrödingers kat og til superpositioner af forskellige kvantetilstande, ikke til et dyr i apparatet. I en sådan kodning kan de to grundtilstande placeres, så bestemte fejl bliver vanskelige, mens andre fejl stadig skal håndteres.

Den beskyttelse har en pris. Hvis man i en almindelig katte-qubit øger adskillelsen mellem tilstandene ved at øge fotontallet, kan bit-flip-fejl blive sjældnere. Samtidig stiger risikoen for fasefejl. En brugbar forbedring skal derfor vurderes på begge dele, ikke kun på det mest imponerende tal.

Usikkerheden bliver fordelt anderledes

Forskerne bruger en metode beslægtet med kvantemekanisk squeezing. Den omfordeler usikkerhed mellem to komplementære størrelser i oscillatorens tilstand. Man fjerner ikke usikkerheden; man ændrer dens fordeling og dermed tilstandenes følsomhed over for bestemte påvirkninger.

I denne sammenhæng kan støj forstås som, at omgivelserne får uønsket information om kvantesystemet. Den ændrede fordeling gør denne påvirkning mindre effektiv for den relevante fejlmekanisme. Kodningen kan dermed blive mere robust uden blot at gøre den oprindelige tilstand større.

Holdets praktiske variant er ikke en perfekt, idealiseret squeezed katte-qubit. De stabiliserede tilstande får en halvmånelignende form i den matematiske repræsentation, og forskerne kalder derfor varianten en moon cat. Betegnelsen beskriver tilstandenes form, ikke en ekstra fysisk komponent.

Beskyttelsen skal holdes aktivt på plads

Et centralt element er, at tilstandene ikke kun bliver dannet én gang. Forskerne konstruerer en kontrolleret kobling til omgivelserne, som stabiliserer det rum af tilstande, hvor informationen ligger. En hjælpesvingning, en såkaldt buffer, indgår i denne kobling.

Studiet fremhæver, at fremgangsmåden ikke kræver en ændring af kredsløbets design i forhold til tidligere standardimplementeringer fra samme platform. Det betyder dog ikke, at enhver eksisterende qubit kan opgraderes ved blot at ændre en indstilling. Resultatet gælder den konkrete type superledende oscillator og dens kontrollerede dynamik.

Forskerne måler, at bit-flip-tiden kan forbedres 160 gange ved fastholdt fase-flip-tid. Sammenligningen holder dermed et vigtigt kompromis nogenlunde fast. Den siger mere om beskyttelsens kvalitet end en sammenligning, hvor en længere bit-flip-tid blot købes med langt flere fasefejl.

Fasefejlene forsvinder ikke

Kattebaserede arkitekturer sigter mod at gøre bit-flip-fejl sjældne i selve hardwaren og derefter rette de tilbageværende fasefejl ved at kode information på tværs af flere katte-qubits. Det kan potentielt reducere den ekstra hardware, der kræves til fejlkorrektion.

Det nye studie demonstrerer ikke hele denne kæde som en færdig, stor fejltolerant computer. Flere komponenter skal kunne arbejde sammen, og operationer, aflæsning samt andre støjkilder skal også holdes under kontrol. En stærkere hukommelseskomponent løser derfor en del af opgaven, men ikke alle problemer ved skalering.

Der er desuden kommercielle interesser bag arbejdet. Artiklen oplyser, at forfattere tilknyttet Alice & Bob har økonomiske interesser i virksomheden. Det ændrer ikke de rapporterede målinger, men er relevant baggrund, når mulige fremtidige anvendelser vurderes.

Resultatets konkrete bidrag er en afprøvet måde at forme og stabilisere kvantetilstande på, så ét vigtigt fejlkompromis forbedres. Næste prøve bliver, hvor meget denne beskyttelse hjælper, når flere qubits skal lagre og behandle information sammen.