Квантовые компьютеры в будущем смогут решать сложнейшие задачи. Однако с использованием сверхпроводящих квантовых процессоров пока сложно считывать экспериментальные результаты, поскольку измерения могут вызывать переходы квантовых состояний, мешающие друг другу.
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Шербрука в Квебеке провели эксперименты, которые улучшили наше понимание этих процессов. Они показали, что калибровка заряда на кубитах способствует предотвращению ошибок.
Их выводы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Потенциал квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для решения задач будущего. Например, они могут способствовать разработке новых материалов с точно заданными свойствами.
Квантовые процессоры используют кубиты, которые могут принимать не только состояния 0 или 1, но и оба состояния одновременно. Более того, кубиты могут быть запутанными.
Эти свойства делают возможным вычислительную мощность, о которой раньше нельзя было и подумать. Квантовые компьютеры будут особенно эффективны в решении сложных задач, таких как криптография или моделирование в естественных и инженерных науках.
Кубиты и трансмоны
Кубиты могут быть изготовлены из трансмонов — искусственных атомов, состоящих из крошечных схем. Они являются сверхпроводящими, то есть не имеют электрического сопротивления при низких температурах. Трансмоны в настоящее время являются наиболее стабильными сверхпроводящими кубитами. Их легко изготавливать и контролировать.
Масштабирование квантовых компьютеров на основе сверхпроводящих кубитов, особенно трансмонов, пока затруднено с точки зрения достижения надёжного считывания экспериментальных результатов без влияния на квантовое состояние.
Во время процесса считывания в резонатор посылается множество микроволновых фотонов. Это может привести к тому, что кубит перейдёт в состояния с более высокой энергией.
Этот эффект, который можно сравнить с ионизацией атома под воздействием интенсивного света, делает измерение ненадёжным.
Профессор Иоан М. Поп, возглавляющий исследования в области квантовых вычислений в Институте квантовых материалов и технологий (IQMT) при Технологическом институте Карлсруэ, сказал: «Если мы поймём, при каком количестве фотонов в резонаторе и при каком уровне заряда на трансмоне кубит переходит в нежелательные состояния, мы сможем оптимизировать процедуру измерения, например, путём целенаправленного выбора рабочих параметров или стабилизации заряда».
Исследование
Исследователи из IQMT, Физического института KIT и Университета Шербрука в Квебеке, Канада, провели совместное исследование, в ходе которого они улучшили понимание переходов, вызванных измерениями, в сверхпроводящих кубитах с помощью экспериментов и разработали практические стратегии для более надёжного считывания квантовых данных.
Доктор Матье Фешан, исследователь в области квантовых вычислений в IQMT, сказал: «Ключевой трудностью в исследовании квантовых переходов, вызванных измерениями, является наличие флуктуаций заряда в цепи — это повсеместная проблема для всех твердотельных платформ».
«В нашей работе мы отслеживаем этот параметр и неоднократно его перекалибруем, варьируя уровень считывания».
Результаты экспериментов согласуются с недавно предложенными теоретическими моделями и подтверждают понимание лежащей в их основе физики. Исследователи также показали, что активная калибровка заряда на трансмонах позволяет им считывать данные в диапазонах количества фотонов, в которых интерферирующие квантовые переходы уменьшаются.
В долгосрочной перспективе исследование способствует предотвращению ошибок считывания, помогая сделать сверхпроводящие квантовые компьютеры более надёжными.
Предоставлено Технологическим институтом Карлсруэ.