Победа над перерывом

Nature, том 616, страницы 56–60 (2023 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

2 цитаты

97 Альтметрика

Подробности о метриках

Квантовая коррекция ошибок (QEC) направлена ​​на защиту логических кубитов от шумов за счет использования избыточности большого гильбертова пространства, что позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в реальном времени1. В большинстве кодов QEC2,3,4,5,6,7,8 логический кубит кодируется в некоторых дискретных переменных, например числах фотонов, так что закодированная квантовая информация может быть однозначно извлечена после обработки. За последнее десятилетие повторяющийся QEC был продемонстрирован с различными сценариями, закодированными дискретными переменными9,10,11,12,13,14,15,16,17. Однако продление срока службы закодированных таким образом логических кубитов за пределами наилучшего доступного физического кубита по-прежнему остается невозможным, что представляет собой точку безубыточности для оценки практической полезности QEC. Здесь мы демонстрируем процедуру QEC в схемной архитектуре квантовой электродинамики18, где логический кубит биномиально кодируется в состояниях числа фотонов микроволнового резонатора8, дисперсионно связанного со вспомогательным сверхпроводящим кубитом. Подавая импульс с настроенной гребенкой частоты на вспомогательный кубит, мы можем многократно с высокой точностью извлекать синдром ошибки и соответствующим образом выполнять коррекцию ошибок с управлением с обратной связью, тем самым превышая точку безубыточности примерно на 16% увеличения срока службы. Наша работа иллюстрирует потенциал аппаратно-эффективного кодирования дискретных переменных для отказоустойчивых квантовых вычислений19.

Одним из главных препятствий для создания квантового компьютера является декогеренция, вызванная окружающей средой, которая разрушает квантовую информацию, хранящуюся в кубитах. Ошибки, вызванные декогеренцией, можно исправить путем многократного применения процедуры квантовой коррекции ошибок (QEC), при которой логический кубит кодируется в многомерном гильбертовом пространстве, так что разные ошибки проецируют систему на разные ортогональные подпространства и, таким образом, могут быть исправлены. однозначно идентифицировать и корректировать, не нарушая хранимую квантовую информацию. В традиционных схемах QEC1,9 кодовые слова логического кубита формируются двумя высокосимметричными запутанными состояниями нескольких физических кубитов, закодированных некоторыми дискретными переменными. За последние два десятилетия мы стали свидетелями замечательных успехов в экспериментальной демонстрации такого рода кода QEC в различных системах, включая ядерные спины5,6, азотно-вакансионные центры в алмазе10,20, захваченные ионы7,11,21,22,23, фотонные кубиты24, кремниевые спиновые кубиты25 и сверхпроводящие цепи12,13,14,15,16,26,27. Однако в этих экспериментах время жизни логического кубита все еще необходимо значительно продлить, чтобы достичь срока службы наилучшего доступного физического компонента, который считается точкой безубыточности для оценки того, может ли код QEC принести пользу квантовому хранению информации. и обработка.

Альтернативная схема кодирования QEC заключается в использовании большого пространства генератора, который можно использовать для кодирования кубита с непрерывной или дискретной переменной28,29,30,31,32. Оба типа кода могут допускать ошибки из-за потери и увеличения квантов энергии, что позволяет выполнять QEC аппаратно эффективным способом. Системы схемной квантовой электродинамики (QED)18 представляют собой идеальную платформу для реализации таких схем кодирования: точка безубыточности была превышена в двух революционных экспериментах33,34 путем распределения квантовой информации по бесконечномерному гильбертовому пространству кодируемой с непрерывной переменной фотонный кубит, но кодовые слова этого фотонного кубита не строго ортогональны. Это неотъемлемое ограничение можно преодолеть с помощью схем кодирования с дискретными переменными, при которых кодовые слова логического кубита кодируются взаимно ортогональными состояниями Фока осциллятора. Эта особенность, вместе с их внутренней совместимостью с исправляемыми ошибками вентилями35,36 и их полезностью для логического соединения модулей в квантовой сети37, делает такие кубиты с дискретными переменными перспективными для отказоустойчивых квантовых вычислений. Эти преимущества могут быть превращены в практические выгоды при реальной квантовой обработке информации только тогда, когда время жизни закодированных логических кубитов выходит за пределы точки безубыточности, что, однако, остается недостижимым результатом, хотя для достижения этой цели предпринимаются постоянные усилия17. 32.