Un gruppo di Jülich esegue porte su transmon in 6,8 nanosecondi con fedeltà oltre il 99,98%

Ricercatori di Jülich, Aquisgrana e Colonia presentano su Nature Communications porte ultraveloci a singolo qubit con un metodo di impulsi che sopprime la perdita multifotonica.

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Fisici del Forschungszentrum Jülich, insieme alla RWTH Aachen University e all’Università di Colonia, hanno eseguito operazioni a singolo qubit su un qubit superconduttore in 6,8 nanosecondi mantenendo una precisione superiore al 99,98%. Il risultato, pubblicato su Nature Communications con il titolo Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal, si basa su un nuovo modo di modellare gli impulsi di controllo a microonde. Secondo il comunicato di Jülich, queste operazioni richiedono di solito diverse decine di nanosecondi nelle macchine superconduttive.

Che cosa è stato annunciato

Due porte elementari sono state eseguite su un singolo qubit transmon fabbricato presso la Helmholtz Nano Facility di Jülich, ciascuna pilotata da un impulso a microonde di 6,8 nanosecondi. Le fedeltà misurate sono state del 99,981% e del 99,989%, e la probabilità che il qubit sfuggisse verso un livello energetico superiore è rimasta sotto lo 0,002% per operazione, afferma l’istituto. Quantum Computing Report identifica le porte come X e X/2 e riferisce che le fedeltà sono state misurate con benchmarking randomizzato interlacciato. Il lavoro è stato svolto nell’ambito di QSOLID, il consorzio nazionale tedesco coordinato da Jülich.

I dettagli tecnici

La velocità conta perché i qubit mantengono il proprio stato solo per breve tempo: porte più rapide permettono di inserire più operazioni, compresi i cicli di correzione degli errori, in quella finestra. Ma impulsi più brevi devono essere più intensi, e i transmon hanno livelli energetici oltre i due usati per il calcolo. Il gruppo di Jülich ha scoperto che impulsi forti e rapidi possono spingere un qubit non solo un livello più su del previsto, ma due o tre livelli più in alto tramite transizioni multifotoniche, un effetto finora trascurato secondo il comunicato, che può persistere per più passi di calcolo e compromettere la correzione degli errori.

Il nuovo metodo, R2D, si basa su DRAG, la tecnica standard di correzione degli impulsi usata da oltre un decennio. Modella gli impulsi in modo da filtrare le componenti di frequenza che provocano le transizioni indesiderate, mentre l’operazione voluta continua ad avvenire. Rispetto al metodo standard, R2D riduce di oltre 20 volte la probabilità di transizioni multifotoniche, secondo i ricercatori. QCR riferisce che l’errore residuo della porta è limitato dalla decoerenza e non da errori di controllo.

Il lavoro sperimentale è stato guidato da Yuan Gao e Rami Barends al PGI-13 del Peter Grünberg Institute, con la parte teorica curata da José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López e Felix Motzoi al PGI-8.

Perché è importante

Porte più veloci senza perdita di precisione danno agli schemi di correzione degli errori più margine prima che i qubit perdano coerenza, e sopprimere le perdite è particolarmente prezioso perché gli stati fuoriusciti sono difficili da gestire per i codici standard.

Cosa osservare

I ricercatori sottolineano che finora la tecnica è stata provata solo su un singolo qubit isolato. Nuovi esperimenti dovranno dimostrare se regge in processori più grandi, dove diafonia e affollamento delle frequenze diventano un problema, e nelle operazioni a due qubit.