O avanço mantém a promessa de reduzir a sobrecarga de recursos de correção de erros.
A computação quântica promete resolver problemas complexos exponencialmente mais rápido do que um computador clássico, usando os princípios da mecânica quântica para codificar e manipular informações em bits quânticos (qubits).
Qubits são os blocos de construção de um computador quântico. Um desafio para o dimensionamento, no entanto, é que os qubits são altamente sensíveis ao ruído de fundo e às imperfeições de controle, que introduzem erros nas operações quânticas e, em última análise, limitam a complexidade e a duração de um algoritmo quântico. Para melhorar a situação, os pesquisadores do MIT e de todo o mundo têm se concentrado continuamente em melhorar o desempenho do qubit.
Em um novo trabalho, usando um qubit supercondutor chamado fluxonium, pesquisadores do Departamento de Física do MIT, do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) desenvolveram duas novas técnicas de controle para alcançar um mundo- registre fidelidade de qubit único de 99,998 por cento. Este resultado complementa o estudo do então pesquisador do MIT Leon Ding demonstração no ano passado de uma fidelidade de porta de dois qubits de 99,92 por cento.
Os autores seniores do artigo são David Rower PhD ’24, um recente pós-doutorado em física no MIT’s Grupo de Sistemas Quânticos de Engenharia (EQuS) e agora um cientista pesquisador no laboratório Google Quantum AI; Leon Ding PhD ’23 pela EQuS, agora liderando a equipe de Calibração na Atlantic Quantum; e Guilherme D. Olivero professor Henry Ellis Warren do EECS e professor de física, líder do EQuSdiretor do Centro de Engenharia Quântica e diretor associado do RLE. O jornal recentemente apareceu na revista PRX Quantum.
Erros de decoerência e contra-rotação
Um grande desafio da computação quântica é a decoerência, um processo pelo qual os qubits perdem suas informações quânticas. Para plataformas como qubits supercondutores, a decoerência impede a realização de portas quânticas de maior fidelidade.
Os computadores quânticos precisam alcançar altas fidelidades de porta para implementar computação sustentada por meio de protocolos como correção quântica de erros. Quanto maior a fidelidade do portão, mais fácil será realizar a computação quântica prática.
Os pesquisadores do MIT estão desenvolvendo técnicas para criar portas quânticas, as operações básicas de um computador quântico, o mais rápido possível, a fim de reduzir o impacto da decoerência. No entanto, à medida que as portas ficam mais rápidas, outro tipo de erro, decorrente da dinâmica de contra-rotação, pode ser introduzido devido à forma como os qubits são controlados por meio de ondas eletromagnéticas.
Portas de qubit único são geralmente implementadas com um pulso ressonante, que induz oscilações Rabi entre os estados do qubit. Quando os pulsos são muito rápidos, entretanto, as “portas Rabi” não são tão consistentes, devido a erros indesejados de efeitos de contra-rotação. Quanto mais rápido o portão, mais manifesto é o erro de contra-rotação. Para qubits de baixa frequência, como o fluxonium, erros de contra-rotação limitam a fidelidade das portas rápidas.
“Livrar-se desses erros foi um desafio divertido para nós”, diz Rower. “Inicialmente, Leon teve a ideia de utilizar unidades de micro-ondas polarizadas circularmente, análogas à luz polarizada circularmente, mas realizadas controlando a fase relativa de carga e unidades de fluxo de um qubit supercondutor. Tal acionamento circularmente polarizado seria idealmente imune a erros de contra-rotação.”
Embora a ideia de Ding tenha funcionado imediatamente, as fidelidades alcançadas com unidades circularmente polarizadas não foram tão altas quanto o esperado nas medições de coerência.
“Eventualmente, tropeçamos em uma ideia lindamente simples”, diz Rower. “Se aplicarmos pulsos exatamente nos momentos certos, seremos capazes de tornar os erros de contra-rotação consistentes de pulso a pulso. Isso tornaria os erros de contra-rotação corrigíveis. Melhor ainda, eles seriam contabilizados automaticamente com nossas calibrações habituais do portão Rabi!”
Eles chamaram essa ideia de “pulsos proporcionais”, uma vez que os pulsos precisavam ser aplicados em momentos proporcionais a intervalos determinados pela frequência do qubit através de seu inverso, o período de tempo. Pulsos proporcionais são definidos simplesmente por restrições de tempo e podem ser aplicados a um único drive linear de qubit. Em contraste, as microondas polarizadas circularmente requerem dois drives e alguma calibração further.
“Me diverti muito desenvolvendo a técnica proporcional”, diz Rower. “Period simples, entendemos porque funcionava tão bem e deveria ser portátil para qualquer qubit que sofresse de erros de contra-rotação!”
“Este projeto deixa claro que erros de contra-rotação podem ser resolvidos facilmente. Isso é maravilhoso para qubits de baixa frequência, como o fluxonium, que parecem cada vez mais promissores para a computação quântica.”
A promessa do Fluxônio
Fluxônio é um tipo de qubit supercondutor composto por um capacitor e uma junção Josephson; ao contrário dos qubits transmon, no entanto, o fluxonium também inclui um grande “superindutor”, que por design ajuda a proteger o qubit do ruído ambiental. Isso resulta na execução de operações lógicas, ou portas, com maior precisão.
Apesar de ter maior coerência, porém, o fluxonium possui uma frequência de qubit mais baixa que geralmente está associada a portas proporcionalmente mais longas.
“Aqui, demonstramos uma porta que está entre as mais rápidas e de maior fidelidade em todos os qubits supercondutores”, diz Ding. “Nossos experimentos realmente mostram que o fluxonium é um qubit que suporta explorações físicas interessantes e também oferece resultados absolutos em termos de desempenho de engenharia.”
Com mais pesquisas, eles esperam revelar novas limitações e produzir portas ainda mais rápidas e de maior fidelidade.
“A dinâmica de contra-rotação tem sido pouco estudada no contexto da computação quântica supercondutora devido ao quão bem a aproximação da onda rotativa se mantém em cenários comuns”, diz Ding. “Nosso artigo mostra como calibrar com precisão portas rápidas e de baixa frequência onde a aproximação da onda rotativa não se sustenta.”
Física e engenharia se unem
“Este é um exemplo maravilhoso do tipo de trabalho que gostamos de fazer no EQuS, porque aproveita conceitos fundamentais da física e da engenharia elétrica para alcançar um resultado melhor”, diz Oliver. “Ele se baseia em nosso trabalho anterior com controle de qubit não adiabático, aplica-o a um novo qubit – fluxonium – e faz uma bela conexão com dinâmica contra-rotativa.”
As equipes de ciência e engenharia possibilitaram a alta fidelidade de duas maneiras. Primeiro, a equipe demonstrou controle não adiabático “proporcional” (síncrono), que vai além da “aproximação de onda rotativa” padrão das abordagens Rabi padrão. Isso aproveita ideias que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2023 por pulsos de luz ultrarrápidos de “attosegundos”.
Em segundo lugar, eles demonstraram isso usando um análogo da luz circularmente polarizada. Em vez de um campo eletromagnético físico com um vetor de polarização rotativo no espaço xy actual, eles realizaram uma versão sintética da luz polarizada circularmente usando o espaço xy do qubit, que neste caso corresponde ao seu fluxo magnético e carga elétrica.
A combinação de uma nova abordagem a um design de qubit existente (fluxónio) e a aplicação de métodos de controlo avançados aplicados à compreensão da física subjacente permitiu este resultado.
Independente de plataforma e sem necessidade de sobrecarga adicional de calibração, este trabalho estabelece estratégias simples para mitigar efeitos de contra-rotação de impulsos fortes em eletrodinâmica quântica de circuitos e outras plataformas, que os pesquisadores esperam ser úteis no esforço para realizar controle de alta fidelidade para falhas. computação quântica tolerante.
Oliver acrescenta: “Com o recente anúncio do chip quântico Willow do Google, que demonstrou pela primeira vez a correção de erros quânticos além do limite, este é um resultado oportuno, pois aumentamos ainda mais o desempenho. Qubits de alto desempenho levarão a menores requisitos de sobrecarga para implementar a correção de erros.”
Outros pesquisadores no artigo são RLE’s Helin Zhang, Max HaysPatrick M. Harrington, Ilan T. Rosen, Simon Gustavsson, Kyle Serniak, Jeffrey A. Grovere Junyoung Anque também está no EECS; e Jeffrey M. Gertler do MIT Lincoln Laboratory, Thomas M. Hazard, Bethany M. Niedzielski e Mollie E. Schwartz.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelos Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica, pelo Centro de Co-design para Vantagem Quântica, pela Força Aérea dos EUA, pelo Escritório do Diretor de Inteligência Nacional e a Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
