Equipe de Jülich executa portas de transmon de 6,8 nanossegundos com mais de 99,98% de fidelidade

Pesquisadores de Jülich, Aachen e Colônia relatam na Nature Communications portas ultrarrápidas de um qubit com um método de pulsos que suprime o vazamento multifotônico.

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Físicos do Forschungszentrum Jülich, em parceria com a RWTH Aachen University e a Universidade de Colônia, realizaram operações de um qubit em um qubit supercondutor em 6,8 nanossegundos, mantendo a precisão acima de 99,98%. O resultado, publicado na Nature Communications com o título Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal, se apoia em uma nova forma de moldar os pulsos de controle de micro-ondas. Segundo o comunicado de Jülich, essas operações costumam levar várias dezenas de nanossegundos em máquinas supercondutoras.

O que foi anunciado

Duas portas básicas foram executadas em um único qubit transmon fabricado na Helmholtz Nano Facility de Jülich, cada uma acionada por um pulso de micro-ondas de 6,8 nanossegundos. As fidelidades medidas foram de 99,981% e 99,989%, e a probabilidade de o qubit vazar para um nível de energia mais alto ficou abaixo de 0,002% por operação, diz o instituto. O Quantum Computing Report identifica as portas como X e X/2 e relata que as fidelidades foram medidas por benchmarking aleatorizado intercalado. O trabalho foi feito no âmbito do QSOLID, o consórcio nacional alemão coordenado por Jülich.

Os detalhes técnicos

A velocidade importa porque os qubits mantêm seus estados por pouco tempo: portas mais rápidas permitem encaixar mais operações, inclusive ciclos de correção de erros, nessa janela. Mas pulsos mais curtos precisam ser mais fortes, e os transmons têm níveis de energia além dos dois usados para computação. A equipe de Jülich constatou que pulsos fortes e rápidos podem empurrar um qubit não apenas um nível acima do pretendido, mas dois ou três níveis acima por meio de transições multifotônicas, um efeito que, segundo o comunicado, vinha sendo negligenciado e que pode persistir por várias etapas de cálculo e atrapalhar a correção de erros.

O novo método, R2D, parte do DRAG, a técnica padrão de correção de pulsos usada há mais de uma década. Ele molda os pulsos de forma a filtrar as componentes de frequência que provocam as transições indesejadas, enquanto a operação pretendida continua acontecendo. Em comparação com o método padrão, o R2D reduz em mais de 20 vezes a probabilidade de transições multifotônicas, segundo os pesquisadores. O QCR relata que o erro restante da porta é limitado pela decoerência, e não por erros de controle.

O trabalho experimental foi liderado por Yuan Gao e Rami Barends no PGI-13 do Peter Grünberg Institute, com a parte teórica de José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López e Felix Motzoi no PGI-8.

Por que isso importa

Portas mais rápidas sem perda de precisão dão aos esquemas de correção de erros mais margem antes que os qubits percam a coerência, e suprimir o vazamento é especialmente valioso porque estados vazados são difíceis de tratar pelos códigos padrão.

O que observar

Os pesquisadores ressaltam que a técnica até agora foi testada apenas em um qubit isolado. Novos experimentos precisam mostrar se ela se mantém em processadores maiores, onde a diafonia e o congestionamento de frequências se tornam problemas, e em operações de dois qubits.