Team uit Jülich voert transmonpoorten uit in 6,8 nanoseconden met meer dan 99,98% fideliteit

Onderzoekers uit Jülich, Aken en Keulen melden in Nature Communications ultrasnelle enkel-qubitpoorten met een pulsmethode die multifotonlekkage onderdrukt.

Deze pagina is vertaald vanuit het Engels. Bedrijfs- en productnamen en bronlinks zijn ongewijzigd. Lees het origineel in het Engels

Natuurkundigen van het Forschungszentrum Jülich hebben samen met RWTH Aachen University en de Universiteit van Keulen enkel-qubitoperaties op een supergeleidende qubit uitgevoerd in 6,8 nanoseconden, met een nauwkeurigheid van meer dan 99,98%. Het resultaat, gepubliceerd in Nature Communications als Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal, berust op een nieuwe manier om microgolf-stuurpulsen vorm te geven. Volgens het persbericht van Jülich duren zulke operaties in supergeleidende machines doorgaans enkele tientallen nanoseconden.

Wat er werd aangekondigd

Twee basispoorten werden uitgevoerd op één transmonqubit, vervaardigd in de Helmholtz Nano Facility in Jülich, elk aangestuurd door een microgolfpuls van 6,8 nanoseconden. De gemeten fideliteiten waren 99,981% en 99,989%, en de kans dat de qubit naar een hoger energieniveau lekte bleef onder 0,002% per operatie, aldus het instituut. Quantum Computing Report noemt de poorten X en X/2 en meldt dat de fideliteiten zijn gemeten met interleaved randomized benchmarking. Het werk werd verricht binnen QSOLID, het Duitse nationale consortium dat door Jülich wordt gecoördineerd.

De technische details

Snelheid telt omdat qubits hun toestand maar kort vasthouden: snellere poorten passen meer operaties, waaronder foutcorrectiecycli, in dat tijdvenster. Maar kortere pulsen moeten sterker zijn, en transmons hebben energieniveaus boven de twee die voor rekenen worden gebruikt. Het team uit Jülich ontdekte dat sterke, snelle pulsen een qubit niet alleen één verdieping te hoog kunnen duwen, maar via multifotonovergangen twee of drie verdiepingen hoger, een effect dat volgens het persbericht eerder over het hoofd was gezien en dat over meerdere rekenstappen kan aanhouden en foutcorrectie kan verstoren.

De nieuwe methode, R2D, bouwt voort op DRAG, de standaard pulscorrectietechniek die al meer dan tien jaar wordt gebruikt. Ze vormt pulsen zo dat frequentiecomponenten die de ongewenste overgangen veroorzaken worden weggefilterd, terwijl de bedoelde operatie gewoon plaatsvindt. Ten opzichte van de standaardmethode verlaagt R2D de kans op multifotonovergangen volgens de onderzoekers met meer dan een factor 20. QCR meldt dat de resterende poortfout wordt begrensd door decoherentie en niet door stuurfouten.

Het experimentele werk stond onder leiding van Yuan Gao en Rami Barends bij PGI-13 van het Peter Grünberg Institute, met theorie van José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López en Felix Motzoi bij PGI-8.

Waarom het ertoe doet

Snellere poorten zonder verlies aan nauwkeurigheid geven foutcorrectieschema’s meer ruimte voordat qubits decoheren, en het onderdrukken van lekkage is extra waardevol omdat gelekte toestanden voor standaardcodes moeilijk te hanteren zijn.

Waar op te letten

De onderzoekers benadrukken dat de techniek tot nu toe alleen op één geïsoleerde qubit is getest. Verdere experimenten moeten uitwijzen of ze standhoudt in grotere processors, waar overspraak en frequentiedrukte een probleem worden, en bij twee-qubitoperaties.