Kubieke fase voor kwantumcomputers aangetoond

Onderzoekers in kwantumtechnologie van Chalmers University of Technology zijn erin geslaagd een techniek te ontwikkelen om kwantumtoestanden van licht in een driedimensionale holte te regelen. Naast het creëren van eerder bekende toestanden, zijn de onderzoekers de eersten die ooit de lang gezochte kubieke fasetoestand hebben aangetoond. De doorbraak is een belangrijke stap naar efficiënte foutcorrectie in kwantumcomputers.

Een belangrijk obstakel voor het realiseren van een praktisch bruikbare kwantumcomputer is dat de kwantumsystemen die worden gebruikt om de informatie te coderen, gevoelig zijn voor ruis en interferentie, wat fouten veroorzaakt. Het corrigeren van deze fouten is een belangrijke uitdaging bij de ontwikkeling van kwantumcomputers. Een veelbelovende aanpak is om qubits te vervangen door resonatoren – kwantumsystemen die een zeer groot aantal gedefinieerde toestanden hebben, in plaats van slechts twee. Deze toestanden kunnen worden vergeleken met een gitaarsnaar, die op veel verschillende manieren kan trillen. De methode, continu-variabele kwantumcomputing, maakt het mogelijk om de waarden 1 en 0 in verschillende kwantummechanische toestanden van een resonator te coderen.

Het beheersen van de toestanden van een resonator is echter een uitdaging waarmee kwantumonderzoekers over de hele wereld worstelen. En de resultaten van Chalmers bieden een manier om dat te doen. De techniek stelt onderzoekers in staat om vrijwel alle eerder aangetoonde kwantumtoestanden van licht te genereren, zoals bijvoorbeeld Schrödinger’s kat of Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) toestanden, en de kubische fasetoestand, een toestand die voorheen alleen in theorie werd beschreven.

Verbetering van de poortsnelheid

De resonator is een driedimensionale supergeleidende holte van aluminium. Complexe superposities van fotonen die in de resonator zijn opgesloten, worden gegenereerd door interactie met een secundair supergeleidend circuit. De kwantummechanische eigenschappen van de fotonen worden gecontroleerd door een reeks elektromagnetische pulsen toe te passen die poorten worden genoemd. De onderzoekers slaagden er eerst in om met een algoritme een specifieke reeks eenvoudige verplaatsingspoorten en complexe Snap-poorten te optimaliseren om de toestand van de fotonen te genereren. Toen de complexe poorten te lang bleken te zijn, vonden ze een manier om ze korter te maken met behulp van optimale controlemethoden om de elektromagnetische pulsen te optimaliseren.

“De drastische verbetering van de snelheid van onze Snap-poorten stelde ons in staat om de effecten van decoherentie in onze kwantumcontroller te verminderen, waardoor deze technologie een stap vooruit kwam. We hebben laten zien dat we volledige controle hebben over ons kwantummechanische systeem”, zegt senior auteur Simone Gasparinetti.

Het bereiken van dit resultaat was ook afhankelijk van de hoge kwaliteit van het fysieke systeem (de aluminium resonator zelf en het supergeleidende circuit). Hoofdauteur Marina Kudra heeft eerder laten zien hoe de aluminium holte ontstaat door deze eerst te frezen en vervolgens extreem schoon te maken door methoden, waaronder het verwarmen tot 500 graden Celsius en het wassen met zuur en oplosmiddel. De elektronica die de elektromagnetische poorten op de holte aanbrengt, is ontwikkeld in samenwerking met het Zweedse bedrijf Intermodulation Products.