Olomouc (22. října 2024) – Výkon superrychlých kvantových počítačů může ještě výrazně zvýšit použití kvantových pamětí na bázi tzv. mikrovlnných dutinových rezonátorů. Rezonátory totiž výrazně prodlužují délku existence fotonů sehrávajících roli kvantových bitů, na nichž je mechanismus fungování kvantových počítačů postaven. Potvrdil to výzkum vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci (UP) a odborníků z Yale Quantum Institute ve Spojených státech amerických.
Mikrovlnné dutinové rezonátory představují ideální systém pro kvantové paměti, jelikož prodlužují životnost fotonů až na desítky milisekund. Je to přibližně stokrát delší doba než u kvantových bitů založených na nelineárních obvodech. Navíc existují metody, pomocí nichž lze dobu „života“ dutinových rezonátorů natáhnout až na několik sekund.
Vědci z Přírodovědecké fakulty UP a Yale Quantum Institute nyní zjistili, že dutinové rezonátory s touto extrémní dobou života mohou „spolupracovat“ se současnými nelineárními supravodivými obvody, které představují jednu z nejpokročilejších platforem pro kvantové počítače. Špičkovou technologii využívají i společnosti Google nebo IBM. První supravodivý kvantový počítač by se měl brzy objevit i v České republice.
Tyto moderní systémy ale zatím vykazují vysoké ztráty a šum, proto by mohlo být výhodné ukládat kvantovou informaci do pamětí s delší dobou života, která by tuto jejich negativní vlastnost eliminovala. Na kvantových počítačích by díky tomu bylo možné řešit výpočetně složitější úlohy než nyní. Otevřít pomyslnou bránu k dalšímu zvýšení výkonu kvantových počítačů mohou právě dutinové rezonátory.
Pro univerzální kvantovou kontrolu mikrovlnných rezonátorů, tedy pro přípravu libovolného kvantového stavu nebo provedení libovolné kvantové operace, jsou nelineární supravodivé obvody nezbytné. „Je přirozené očekávat, že kvalita této kontroly bude limitovaná primárně dobou života těchto nelineárních obvodů. Přirozenou snahou by tedy mělo být provádět veškeré operace co nejrychleji s využitím co nejsilnějších interakcí,“ uvedl Ondřej Černotík z katedry optiky.
V určité fázi je však další zesilování interakce kontraproduktivní, protože nelineární obvod současně představuje kanál, kterým může docházet ke ztrátám z rezonátoru. „Síla těchto ztrát se obecně škáluje obdobně jako síla interakce mezi obvodem a rezonátorem. Obecně bylo tedy přijímáno, že pro efektivní kvantovou kontrolu je potřeba, aby oba systémy měly podobnou dobu života,“ dodal Ondřej Černotík.
Vědci z Přírodovědecké fakulty UP a Yale Quantum Institute ale zjistili, že tento předpoklad je mylný a současné nelineární obvody s dobou života kolem sta mikrosekund jsou potenciálně schopné provádět účinnou kvantovou kontrolu mikrovlnných rezonátorů s dobou života v řádu sekund, která je tedy o čtyři řády delší.
„Analyzujeme několik schémat přenosu stavu z kvantového bitu do rezonátoru a pro každé vyhodnocujeme kompromis mezi silou interakce a indukovanými ztrátami v nelineárním obvodu. Ukazuje se přitom, že tzv. transmony, což je nejčastější typ supravodivých kvantových bitů, nejsou vhodné pro přímou kontrolu mikrovlnných rezonátorů kvůli typu jejich nelinearity (čtvrtého stupně), která vede k silnému šumu i při obecně slabých interakcích,“ popsal výzkum Iivari Pietikäinen z katedry optiky. Na základě tohoto zjištění vědci preferují obvody s jiným druhem nelinearity (třetího stupně), u kterých podobné problémy nenastávají a které díky tomu mohou sloužit pro zprostředkování interakcí mezi transmony a mikrovlnnými rezonátory.
Odborníci kromě tohoto jednoduchého kódování zkoumají i problematiku tzv. bosonických kódů, které využívají vícefotonové stavy rezonátoru. Jsou tak citlivější na ztráty a šum, zároveň ale nabízejí možnost takto způsobené chyby detekovat a často i opravovat. Jejich rozvoj je úzce spjat s teoretickými i experimentálními týmy na Yale Quantum Institute, s nimiž vědci z katedry optiky dlouhodobě spolupracují.
„Tato schopnost korekce chyb je v příkrém kontrastu ke konvenčním supravodivým kvantovým bitům, u nichž je pro detekci a korekci chyb potřeba použít několik kvantových bitů ke kódování jednoho logického kvantového bitu. Na těchto bosonických kvantových bitech pak ukazujeme, že námi odvozené principy kontroly a jejich limity platí i pro tuto vysoce perspektivní třídu kvantových bitů,“ doplnil Radim Filip z katedry optiky.
Odkaz na článek:
https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.5.040307
Kontaktní osoba:
Ondřej Černotík | katedra optiky
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého
E: ondrej.cernotik@upol.cz | M: 734 596 500