Nye kvantepulser gir raske porter med svært lav lekkasje

Raske porter har en skjult kostnad

En kvantedatamaskin må ikke bare holde qubitene stabile. Den må også kunne styre dem raskt og presist. Kortere kontrollpulser kan gjøre det mulig å utføre flere operasjoner før støy og dekoherens ødelegger kvantetilstanden, men sterkere og raskere styring skaper sitt eget problem.

Superledende transmon-qubits er ikke perfekte systemer med bare to energinivåer. De har flere nivåer, og en kontrollpuls kan derfor sende noe av kvantetilstanden ut av de to nivåene som brukes til beregningen. Denne typen feil kalles lekkasje.

I en fagfellevurdert studie i Nature Communications viser forskere nå at en del av lekkasjen ved svært raske porter kommer fra overganger som tidligere ofte har vært oversett. Ved å forme kontrollpulsen for å undertrykke også disse overgangene demonstrerer de enkeltqubit-porter med varighet ned mot 6,8 nanosekunder og samtidig svært lav lekkasje.

Flerfotonoverganger dukker opp når qubiten drives hardt

En vanlig metode for å redusere lekkasje i superledende qubits er DRAG, eller Derivative Removal by Adiabatic Gate. Metoden former mikrobølgepulsen slik at den i mindre grad driver uønskede overganger mellom energinivåene.

Tradisjonelt har oppmerksomheten særlig vært rettet mot overgangen fra det første eksiterte nivået til nivået over. Forskerne viser imidlertid at når kontrollpulsen blir kort og sterk, blir direkte overganger til enda høyere nivåer viktige. Disse høyereordensprosessene kan involvere flere fotoner og blir en betydelig lekkasjekanal i det sterkt drevne regimet.

Forskerne utviklet derfor en dobbelt rekursiv variant av DRAG som de kaller R2D. I stedet for bare å dempe den nærmeste uønskede overgangen formes frekvensinnholdet i pulsen slik at også de identifiserte flerfotonovergangene undertrykkes.

6,8 nanosekunder med fidelity over 99,98 prosent

Metoden ble testet på en superledende transmon-qubit. For både X- og X/2-porter rapporterer forskerne fidelity over 99,98 prosent ved pulslengder helt ned til 6,8 nanosekunder.

Samtidig var den totale lekkasjefeilen konsekvent under 2,0 × 10^-5. Det tilsvarer færre enn omtrent to lekkasjehendelser per 100 000 porter i den målte enkeltqubit-operasjonen.

Tallene beskriver forskjellige sider av ytelsen. Fidelity måler hvor nær den faktiske operasjonen kommer den ønskede kvanteoperasjonen, mens lekkasjeraten spesifikt måler hvor ofte tilstanden forlater beregningsrommet. En port kan derfor ha andre feil selv om lekkasjen er svært lav.

Forskerne testet portene over flere pulslengder og brukte flere benchmarkingmetoder for å skille mellom ulike feilkilder. Resultatene peker på at de høyereordens overgangene blir den dominerende lekkasjemekanismen når portene presses mot de korteste tidene.

Måler lekkasje under én per million

Svært lave feilrater er vanskelige å måle direkte. Forskerne introduserte derfor også en sekvens som forsterker effekten av lekkasjen over gjentatte operasjoner.

Denne metoden gjorde det mulig å kvantifisere lekkasjerater under 10^-6, altså under én lekkasjehendelse per million operasjoner i målemetodens estimerte rate. Det gir et verktøy for å skille svært små lekkasjebidrag fra andre feil når kontrollpulser optimaliseres videre.

Det er viktig fordi lekkasje kan være spesielt problematisk i kvantefeilretting. En qubit som havner utenfor beregningsrommet kan bli værende der over flere operasjoner og skape feil som ikke oppfører seg som de enklere feilmodellene mange protokoller er bygget rundt.

Et kontrollsteg, ikke en ferdig feiltolerant maskin

Resultatet gjelder enkeltqubit-porter på en transmon. Studien viser ikke tilsvarende forbedring for to-qubit-porter, en komplett prosessor eller en lang feiltolerant beregning. Den demonstrerer heller ikke at en algoritme blir raskere med samme faktor som selve porttiden reduseres.

Betydningen ligger i kontrollproblemet. Kvanteprosessorer trenger porter som både er raske nok til å begrense eksponeringen for støy og presise nok til at feil ikke hoper seg opp. Studien viser at en tidligere undervurdert lekkasjekanal kan identifiseres og aktivt formes bort i det sterkt drevne regimet.

R2D-metoden er utviklet og demonstrert på en mye brukt type superledende qubit, og forskerne mener prinsippet kan tilpasses andre qubitplattformer. Hvor godt metoden fungerer på tvers av maskinvare og i større prosessorer må fortsatt demonstreres.

For superledende kvantedatamaskiner er dette derfor ikke et sprang til feiltoleranse i seg selv. Det er en mer avgrenset forbedring: rask styring trenger ikke nødvendigvis å bety at qubiten lekker ukontrollert ut av beregningsrommet.

Kilder

• Nature Communications – fagfellevurdert studie
• arXiv – preprint og versjonshistorikk