A lo largo de la historia de la computación cuántica, el tiempo de coherencia de los qubits superconductores (es decir, el tiempo durante el cual retienen su información cuántica) ha mejorado drásticamente. Una mejora importante proviene de la colocación de qubits superconductores dentro de cavidades de resonadores de microondas tridimensionales, que preservan el estado del qubit codificándolo en fotones almacenados en la cavidad.
En un estudio reciente, investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel ampliaron los límites de este método al demostrar una novedosa configuración de qubit de cavidad tridimensional con un tiempo de coherencia de fotón único de 34 milisegundos (ms). Un tiempo de coherencia prolongado es clave para lograr operaciones de qubit con bajo error (reduciendo así el hardware requerido en la tolerancia a fallas), y el nuevo tiempo de coherencia rompe el récord anterior en más de un orden de magnitud.
Los qubits son muy sensibles a su entorno y pierden información fácilmente debido al ruido. Para preservar los estados de los qubits durante más tiempo, los investigadores recurrieron a las cavidades de resonadores de microondas como forma de dispositivo de almacenamiento. Como su nombre lo indica, estas cavidades son estructuras tridimensionales que comprenden un espacio hueco diseñado para acomodar un chip qubit transmon superconductor y los fotones de microondas que interactúan con él. Mediante un proceso de codificación que implica la aplicación de pulsos de microondas específicos, el estado del qubit se transfiere al estado de cavidad y se almacena allí. Una vez que ha pasado el período deseado, el estado se recupera codificándolo nuevamente en el transmon. Por tanto, la cavidad desempeña un papel crucial en el control y la medición del qubit colocado en su interior.
Para aplicaciones prácticas en el procesamiento de información cuántica, la cavidad debe ser capaz de almacenar el estado cuántico durante períodos prolongados. Sin embargo, lograrlo no es sencillo debido a diversos factores externos. Como son las partículas más pequeñas de luz, los fotones son difíciles de confinar y se pierden fácilmente. Las perturbaciones en el chip qubit colocado dentro de la cavidad son fuentes importantes de amortiguación y decoherencia de fotones. La formación de una capa de óxido no deseada en la superficie de la cavidad disminuye aún más la vida útil de los fotones.
Ingeniería de un nuevo diseño de cavidad
Liderados por Serge Rosenblum, Ofir Milul, Barkay Guttely Uri Goldblatt, el Weizmann equipo superó estos desafíos diseñando una cavidad de niobio superconductor de bajas pérdidas que soporta un qubit de fotón único de larga vida. Utilizaron niobio de alta pureza para fabricar dos partes separadas de la cavidad y luego soldaron las partes para evitar que se filtraran fotones. También eliminaron óxido y contaminantes de la superficie puliendo químicamente la cavidad.
La estructura resultante se parece un poco a un paraguas abierto, con una geometría semielíptica que evoluciona hacia una estrecha guía de ondas donde estaría el mango del paraguas. Al igual que una antena parabólica, que tiene una superficie curva que refleja las ondas de radio hacia su punto focal, la estructura elíptica de la cavidad concentra el campo electromagnético en el centro de la superficie plana de la otra mitad de la cavidad (ver imagen).
Una vez que el equipo preparó la cavidad, "el mayor desafío fue integrar un qubit transmon superconductor en una cavidad sin disminuir la vida útil de los fotones de la cavidad", dice Rosenblum. "Esto nos retrotrae al infame acto de equilibrio en los sistemas cuánticos entre la controlabilidad por un lado y el aislamiento por el otro".
Los investigadores lograron este equilibrio colocando sólo aproximadamente 1 milímetro del chip transmon dentro de la cavidad elíptica, mientras que el resto se aloja dentro de la guía de ondas. Esta configuración minimiza las pérdidas inducidas por el chip. Sin embargo, la exposición limitada de la cavidad al chip debilita la interacción cavidad-transmon, por lo que los investigadores compensaron esto aplicando fuertes pulsos de microondas para codificar el estado del qubit en la cavidad.
Aprovechando una cavidad para memoria cuántica y corrección de errores cuánticos
Gracias a este innovador diseño de cavidad, los investigadores lograron una vida útil de fotón único de 25 ms y un tiempo de coherencia de 34 ms. Esta es una mejora significativa con respecto a la cavidad de última generación anterior, que tenía un tiempo de coherencia de aproximadamente 2 ms.
Rosenblum y sus colegas también demostraron un método de corrección de errores conocido como corrección de errores cuánticos bosónicos, mediante el cual la información del qubit se almacena de forma redundante en múltiples fotones que ocupan la cavidad (los llamados estados del gato de Schrödinger). Esto preserva el frágil estado del qubit almacenándolo en muchas cavidades de fotones, no solo en unos pocos. El inconveniente es que a medida que aumenta el número de fotones almacenados, también aumenta la tasa de pérdida de fotones. A pesar de esta limitación, el equipo de Weizmann logró estados del gato de Schrodinger con un tamaño de 1024 fotones. Esto corresponde a un número promedio de 256 fotones, que es 10 veces mayor que en demostraciones anteriores, un avance notable que podría mejorar el rendimiento de la corrección de errores cuánticos bosónicos.
Los qubits Cat alcanzan un nuevo nivel de estabilidad
Con una vida útil de los fotones cuatro órdenes de magnitud mayor que el tiempo requerido para las operaciones de la puerta, este avance proporciona tiempo suficiente para controlar el qubit antes de que pierda información. De cara al futuro, Rosenblum dice que el objetivo del equipo es realizar operaciones cuánticas en estas cavidades con una fidelidad o probabilidad de éxito sin precedentes. En particular, menciona que después de que el estudio fuera publicado en PRX cuántico, el equipo ha más que duplicado la vida útil del fotón único a 60 ms, lo que indica un potencial significativo para futuros avances.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
