Массачусетского технологического института и исследователи из Дартмутского колледжа доказали, в первый раз, инструмент, который обнаруживает новые характеристики окружающей среды “шум”, который может разрушить хрупкие квантовые состояния кубитов, фундаментальные компоненты квантовых компьютеров. Аванс может обеспечить понимание микроскопических механизмов шума, чтобы помочь разработать новые способы защиты кубитов.
Кубитов может представлять двух состояний, соответствующих классическим двоичном бит, 0 или 1. Но, они также могут поддерживать “квантовой суперпозиции” двух государств одновременно, что позволяет квантовым компьютерам решать сложные проблемы, которые практически невозможны для классических компьютеров.
Но кубит квантовой “согласованность” — то есть его способность поддерживать состояние суперпозиции — может развалиться из-за шума, доносившегося от окружающей среды вокруг кубит. Шум может возникнуть из-за управляющей электроники, тепла или примеси в себя кубит материала, а также может вызвать серьезные вычислительные ошибки, которые могут быть трудно исправить.
Исследователи разработали статистические модели для оценки воздействия излишних источников шума вокруг кубитов, чтобы создать новые пути для их защиты, и, чтобы получить выводы в шум самих механизмов. Но, эти инструменты, как правило, захват упрощенным “гауссовский шум”, по сути набор случайных сбоев из большого количества источников. Короче, это как белый шум от говора толпы, где нет конкретной подрывной узор, который выделяется, так что кубит не особенно страдают от какого-либо конкретного источника. В этом типе модели, распределение вероятностей шумов будет форма стандартной симметричной колоколообразной кривой, независимо от статистической значимости отдельных участников.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, исследователи описывают новый инструмент, который, впервые, меры “негауссовский шум” влияет кубита. Этот шум имеет отличительные особенности, которые обычно проистекают из нескольких особенно сильных источников шума.
Исследователями разработаны методики, чтобы отделить этот шум на фоне гауссовского шума, а затем использовать сигнал-технологии восстановить детализированную информацию о тех шумовых сигналов. Эти реконструкции могут помочь исследователям построить более реалистичные модели шума, который может дать более надежные методы защиты кубитов от конкретных типов шума. Там сейчас нужны такие инструменты, исследователи говорят: кубиты будут фабриковаться меньше и меньше дефектов, которые могли бы увеличить присутствие негауссовских помех.
“Это как в переполненном зале. Если все говорят с таким же объемом, есть много фонового шума, но я все еще могу поддерживать свой собственный разговор. Однако, если несколько людей особенно громко разговаривает, Я не могу помочь, но замок на их разговор. Это может быть очень отвлекает”, — говорит Уильям Оливер, адъюнкт-профессор электротехники и информатики, профессор физики, лаборатории МТИ товарищей Линкольна, и заместитель директора научно-исследовательской лаборатории электроники (рол). “Для кубитов с большим количеством дефектов, есть шум, который decoheres, но мы, как правило, знают, как справиться с этим типом заполнителя, обычно Гауссова шума. Однако, как кубиты улучшить и меньше дефектов, индивиды начинают выделяться, и шум может больше не быть просто гауссовского характера. Мы можем найти способы, чтобы справиться, что слишком, но мы в первую очередь необходимо знать конкретный тип негауссовского шума и его статистические данные.”
“Это не характерно для физиков-теоретиков, чтобы быть в состоянии представить, а также найти экспериментальную площадку и опытных коллег, готовых инвестировать в этом”, — говорит соавтор Лоренза Виола, профессор физики в Дартмуте. “Это было здорово, чтобы быть в состоянии прийти к столь важной победы с командой МИТ”.
Присоединение Оливер и Виола на бумаге: сначала автор Youngkyu Сена, Фэй Ян, Джек Цю Ю., Уве фон Lüpke, Терри П. Орландо, и Симон Густавссон, все РЛЭ; Дэвид К. Ким и Jonilyn л. Йодер Линкольн лаборатории; и Феликс Бодуан и Ли М. Норрис Дартмут.
Фильтры импульсных
В своей работе ученые использовали то, что сверхпроводниковых кубитов хорошие датчики для измерения собственных шумов. В частности, они используют “поток” кубита, которое состоит из сверхпроводящей петли, которая может определять конкретный вид постороннего шума, называемого магнитного потока из окружающей среды.
В экспериментах, они навели негауссовских “дефазировка” шума путем введения разработаны шум потока, что нарушает кубит и делает его теряют связность, что, в свою очередь используется в качестве измерительного инструмента. “Как правило, мы хотим, чтобы избежать декогеренции, но в этом случае, как кубит decoheres говорит нам что-то о шуме в окружающей среде,” говорит Оливер.
В частности, они стреляли 110 “Пи-импульсов”, которые используются, чтобы перевернуть состояния кубитов — в определенной последовательности в течение десятков микросекунд. Каждая последовательность импульсов фактически создал узком частотном “фильтр”, который скрывает большую часть шума, кроме определенной полосы частот. Измерив ответ кубита датчик с полосовой фильтрацией шума, они извлекли мощности шума в этой полосе частот.
Путем изменения последовательности импульсов, они могли двигать фильтры вверх и вниз, чтобы образец шум на разных частотах. Примечательно, что при этом они следили как негауссовского шума отчетливо вызывает кубит в decohere, что обеспечивало высокий-мерного спектра негауссова шума.
Ошибка подавления и коррекции
Основным нововведением за работу тщательно проектировать импульсы действуют как специфические фильтры, которые извлекают свойства “bispectrum,” двух-мерное отображение, что дает информацию об отличительных временных корреляций негауссовских помех.
По сути, восстанавливая bispectrum, они могут найти свойства негауссовских помех сигналов, падающих на кубита за время, которые не существуют в гауссовых шумовых сигналов. Основная идея состоит в том, что для Гауссова шума, будет только корреляция между двумя точками во времени, что называется “второго порядка времени корреляции”. Но, для негауссовских шумов, свойства в один момент времени будет прямо пропорциональна свойства в несколько перспективных точек. Такого “высшего порядка” корреляции являются визитной карточкой негауссовских помех. В этой работе авторам удалось извлечь шума с корреляций между тремя точками во времени.
Эта информация может помочь программистам проверить и адаптировать динамических ошибок подавления и исправления ошибок кодами для кубитов, который устраняет шум-наведенной ошибки и обеспечивает точный расчет.
Такие протоколы используют информацию из модели шума реализаций, которые являются более эффективными для практических квантовых компьютеров. Но, поскольку детали шум еще не хорошо понял, сегодня, исправляющие ошибки, коды с стандартной кривой колокола в голове. С помощью исследователей, программистов, можете оценить, как их код будет эффективно работать в реальных сценариях или начать сосредоточиться на негауссовский шум.
Соответствии с переполнены-комнатная аналогии, Оливер говорит: “Если вы знаете, что есть только один громкий человек в комнате, то вы будете проектировать код, который эффективно заглушает, что один человек, а не пытаться решить все возможные сценарии.”
