Las computadoras cuánticas podrían superar a la computación convencional en tareas esenciales, pero son propensas a errores que en última instancia conducen a la pérdida de información cuántica, lo que limita los dispositivos cuánticos actuales. Por lo tanto, para lograr procesadores de información cuántica a gran escala, los científicos necesitan desarrollar e implementar estrategias para corregir errores cuánticos.

Investigadores de la empresa de computación cuántica con sede en París alicia y bob, junto con colegas de la ENS-PSL de Francia y la ENS de Lyon, han logrado avances significativos hacia una solución mejorando la estabilidad y el control de los llamados qubits de gato. Estos bits cuánticos, que llevan el nombre del famoso experimento mental de Erwin Schrödinger, utilizan estados coherentes de un resonador cuántico como estados lógicos. Los qubits Cat son prometedores para la corrección de errores cuánticos porque están construidos a partir de estados coherentes, lo que los hace intrínsecamente robustos contra ciertos tipos de errores del entorno.

Un nuevo protocolo de medición

Los bits cuánticos sufren dos tipos de errores: cambios de fase y cambios de bits. En computación cuántica, un cambio de bit es un error que cambia el estado de un qubit de |0⟩ a |1⟩ o viceversa, análogo a invertir un bit clásico de 0 a 1. Un cambio de fase, por otro lado, es un error que altera la fase relativa entre los componentes |0⟩ y |1⟩ del estado de superposición de un qubit. Los qubits Cat se pueden estabilizar contra errores de inversión de bits acoplando el qubit a un entorno que intercambie preferentemente pares de fotones con el sistema. Esto contrarresta de forma autónoma los efectos de algunos errores que generan cambios de bits y garantiza que el estado cuántico permanezca dentro del subespacio deseado con corrección de errores. Sin embargo, el desafío de la corrección de errores cuánticos no consiste solo en estabilizar los qubits. Se trata también de controlarlos sin romper los mecanismos que los mantienen estables.

In la primera de un par de estudios publicados en el arXiv En un servidor de preimpresión, y aún no revisado por pares, los investigadores de Alice & Bob, ENS-PSL y ENS de Lyon encontraron una manera de aumentar el tiempo de inversión de bits a más de 10 segundos, cuatro órdenes de magnitud más que las implementaciones anteriores de cat-qubit. – sin dejar de controlar completamente el qubit cat. Lo lograron introduciendo un protocolo de lectura que no compromete la protección de inversión de bits en su qubit cat, que consiste en una superposición cuántica de dos estados cuánticos clásicos atrapados en un resonador cuántico superconductor en un chip. Fundamentalmente, el nuevo esquema de medición que idearon para leer y controlar estos estados de qubit no depende de elementos de control físico adicionales, que anteriormente limitaban los tiempos de inversión de bits alcanzables.

Los diseños de experimentos anteriores utilizaron un transmón superconductor (un elemento cuántico de dos niveles) para controlar y leer el estado del qubit cat. Aquí, los investigadores idearon un nuevo esquema de lectura y control que utiliza el mismo resonador auxiliar que proporciona el mecanismo de estabilización de dos fotones para el qubit cat. Como parte de este esquema, implementaron la llamada puerta holonómica, que transforma la paridad del estado cuántico en el número de fotones en el resonador. La paridad del número de fotones es una propiedad característica del cat qubit: una superposición igual de los dos estados coherentes contiene sólo superposiciones de números de fotones pares, mientras que la misma superposición pero con un signo menos contiene sólo superposiciones de números de fotones impares. Por tanto, la paridad proporciona información sobre en qué estado se encuentra el sistema cuántico.

Rediseñando la estabilización de los qubits cat.

El equipo de Alice & Bob preparó y tomó imágenes de estados de superposición cuántica al mismo tiempo que controlaba la fase de estas superposiciones y mantenía un tiempo de cambio de bit de más de 10 segundos y un tiempo de cambio de fase superior a 490 ns. Sin embargo, la realización completa de una computadora cuántica a gran escala con corrección de errores basada en qubits cat requerirá no solo un buen control y una lectura rápida, sino también un medio para garantizar que el qubit cat permanezca estable durante el tiempo suficiente para realizar cálculos. Investigadores de Alice & Bob y ENS de Lyon abordaron esta importante y desafiante tarea en el segundo estudio.

Para realizar un qubit cat estabilizado, el sistema puede funcionar mediante un proceso de dos fotones que inyecta pares de fotones mientras disipa sólo dos fotones a la vez. Esto generalmente se hace acoplando el qubit cat a un resonador auxiliar y bombeando un elemento llamado SQUID de rosca asimétrica (ATS) con pulsos de microondas sintonizados con precisión.. Sin embargo, este enfoque plantea importantes inconvenientes, como la acumulación de calor, la activación de procesos no deseados y la necesidad de aparatos electrónicos de microondas voluminosos.

Para mitigar estos problemas, los investigadores rediseñaron el mecanismo de disipación de dos fotones para que no requiera dicha bomba adicional. En lugar de un ATS, implementaron el qubit cat en un modo de oscilador superconductor acoplado a un modo auxiliar con pérdidas a través de un elemento no lineal que consta de múltiples uniones Josephson. El elemento Josephson sirve como un "mezclador" que permite hacer coincidir exactamente la energía de dos fotones cat qubit con la de un fotón en el resonador auxiliar. Como resultado, en este proceso llamado autoparamétrico, los pares de fotones en el resonador cat qubit se transforman en un solo fotón del modo buffer sin la necesidad de ninguna bomba de microondas adicional.

Al diseñar un circuito superconductor con una estructura simétrica, el equipo pudo acoplar un resonador de alta calidad con uno de baja calidad a través del mismo elemento Josephson. De este modo, aumentaron la tasa de disipación de dos fotones en un factor de 10 en comparación con resultados anteriores, con un tiempo de inversión de bit cercano a un segundo, en este caso limitado por el transmón. Se necesita una alta tasa de disipación de dos fotones para una manipulación rápida de qubits y ciclos cortos de corrección de errores. Estos son cruciales para corregir los errores de cambio de fase restantes en un código de repetición de qubits cat.

Aplicaciones futuras con cat qubits

Gerhard Kirchmair, físico del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Innsbruck, Austria, que no participó en ninguno de los estudios, afirma que ambos trabajos describen pasos importantes hacia la realización de un qubit totalmente corregido de errores. "Éstos son los próximos pasos hacia una corrección de errores completa", afirma Kirchmair. "Demuestran claramente que es posible lograr una protección exponencial contra cambios de bits en estos sistemas, lo que demuestra que este enfoque es viable para lograr una corrección total de errores cuánticos".

Los investigadores reconocen que aún quedan obstáculos importantes. Debido a que la precisión de la lectura utilizando el protocolo de puerta holonómica era bastante limitada, quieren encontrar formas de mejorarla. Otro paso importante será demostrar las puertas que involucran múltiples qubits cat y verificar si la protección inherente contra el cambio de bits permanece. Además, con la nueva configuración del dispositivo autoparamétrico para intercambiar pares de fotones, el cofundador de Alice & Bob, Raphaël Lescanne, prevé poder estabilizar un qubit cat utilizando cuatro estados coherentes diferentes en lugar de solo dos. "Nuestro objetivo es utilizar la fuerza de acoplamiento no lineal sin precedentes para estabilizar un cat-qubit de cuatro componentes, que ofrecería in situ protección contra errores por cambio de fase junto con protección contra errores por cambio de bits”, afirma Lescanne.

Kirchmair cree que estos resultados allanan el camino para esquemas de corrección de errores más elaborados que se basan en estos qubits fuertemente sesgados por el ruido, donde la tasa de cambio de bits es mucho menor que la tasa de cambio de fase restante. "Los próximos pasos serán escalar este sistema para corregir también los cambios de fase, logrando así un qubit totalmente corregido de errores", dice Kirchmair. Mundo de la física. "Incluso se podría imaginar combinar ambos enfoques en un solo sistema para obtener lo mejor de ambos resultados y mejorar aún más los tiempos de cambio de bits".

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/