Исследователям квантовых технологий из Технологического университета Чалмерса удалось разработать метод управления квантовыми состояниями света в трехмерной полости. Помимо создания ранее известных состояний, исследователи впервые продемонстрировали долгожданное кубическое фазовое состояние. Этот прорыв является важным шагом на пути к эффективному исправлению ошибок в квантовых компьютерах.

«Мы показали, что наша технология не уступает лучшим в мире», — говорит Симоне Гаспаринетти, глава исследовательской группы по экспериментальной квантовой физике в Чалмерсе и один из ведущих авторов исследования.

Подобно тому, как обычный компьютер основан на битах, которые могут принимать значения 0 или 1, наиболее распространенный метод построения квантового компьютера использует аналогичный подход. В качестве строительных блоков используются квантово- механические системы с двумя разными квантовыми состояниями, известные как квантовые биты (кубиты). Одному из квантовых состояний присваивается значение 0, а другому значение 1. Однако из-за квантово-механического состояния суперпозиции кубиты могут одновременно принимать оба состояния 0 и 1, что позволяет квантовому компьютеру обрабатывать огромные объемы данных с возможность решения проблем, находящихся далеко за пределами досягаемости современных суперкомпьютеров.

Впервые для кубического фазового состояния

Основным препятствием на пути к реализации практически полезного квантового компьютера является то, что квантовые системы, используемые для кодирования информации, подвержены шуму и помехам, что приводит к ошибкам. Исправление этих ошибок является ключевой задачей при разработке квантовых компьютеров. Перспективным подходом является замена кубитов резонаторами — квантовыми системами , которые имеют не только два определенных состояния, но их очень большое количество. Эти состояния можно сравнить с гитарной струной, которая может вибрировать по-разному. Этот метод называется квантовыми вычислениями с непрерывной переменной и позволяет кодировать значения 1 и 0 в нескольких квантово-механических состояниях резонатора.

Однако управление состояниями резонатора — это проблема, с которой борются квантовые исследователи во всем мире. И результаты Чалмерса позволяют сделать это. Техника, разработанная в Чалмерсе, позволяет исследователям генерировать практически все ранее продемонстрированные квантовые состояния света, такие как, например, состояния кота Шредингера или состояния Готтесмана-Китаева-Прескила (GKP), а также состояние кубической фазы, ранее описанное только в теории.

«Кубическое фазовое состояние — это то, что многие квантовые исследователи пытались создать на практике в течение двадцати лет. Тот факт, что нам сейчас впервые удалось это сделать, — это демонстрация того, насколько хорошо работает наша методика, Прогресс заключается в том, что существует очень много состояний разной сложности, и мы нашли технику, которая может создать любое из них», — говорит Марина Кудра, аспирант кафедры микротехнологий и нанонауки и ведущий автор исследования.

Улучшение скорости ворот

Резонатор представляет собой трехмерную сверхпроводящую полость из алюминия. Сложные суперпозиции фотонов, захваченных внутри резонатора, генерируются за счет взаимодействия со вторичной сверхпроводящей цепью.

Квантово-механические свойства фотонов контролируются с помощью набора электромагнитных импульсов, называемых вентилями. Исследователям впервые удалось использовать алгоритм для оптимизации определенной последовательности простых вентилей смещения и сложных вентилей SNAP для генерации состояния фотонов. Когда сложные ворота оказались слишком длинными, исследователи нашли способ сделать их короче, используя оптимальные методы управления для оптимизации электромагнитных импульсов.

«Резкое улучшение скорости наших ворот SNAP позволило нам смягчить эффекты декогеренции в нашем квантовом контроллере, продвинув эту технологию на шаг вперед. Мы показали, что имеем полный контроль над нашей квантово-механической системой», — говорит Симоне Гаспаринетти.

Или, выражаясь более поэтично:

«Я запечатлела свет в месте, где он процветает, и придала ему поистине прекрасные формы», — говорит Марина Кудра.

Достижение этого результата также зависело от высокого качества физической системы (сам алюминиевый резонатор и сверхпроводящий контур). нагревая его до 500 градусов по Цельсию и промывая кислотой и растворителем. Электроника, применяющая электромагнитные затворы к резонатору, была разработана в сотрудничестве со шведской компанией Intermodulation Products.

Исследовательская часть исследовательской программы WACQT

Исследование проводилось в Чалмерсе в рамках Валленбергского центра квантовых технологий (WACQT) — комплексной исследовательской программы, цель которой — сделать шведские исследования и индустрию лидерами в области квантовых технологий . Инициативу возглавляет профессор Пер Делсинг, и главная цель — разработка квантового компьютера.

«В Chalmers у нас есть полный набор средств для создания квантового компьютера , от теории до эксперимента, и все это под одной крышей. Решение проблемы исправления ошибок является основным узким местом в разработке крупномасштабных квантовых компьютеров, и наши результаты являются доказательством наша культура и методы работы», — говорит Пер Делсинг.