Физики предложили кодировать кубиты котами Шредингера
---
M. H. Devoret et al./ Nature, 2020
Физики создали устойчивые к потерям кубиты на основе котов Шредингера. Они использовали сверхпроводниковую реализацию состояний для
демонстрации их возможного применения. Статья опубликована в Nature Physics.
Квантовое состояние «кот Шредингера» (cat state) представляет собой суперпозицию когерентных (максимально близких к классическим) состояний с противоположными
фазами. Такие состояния хороши тем, что они устойчивы к потерям между
удаленными модами, поэтому их можно создавать в любых средах и с большими
амплитудами. Тем не менее, при работе с котами Шредингера (стоит отметить, что в оригинале это все таки была кошка, а не кот) возникают другие
сложности — необходимо делать их стабильными, а квантовые операции над ними должны проводиться очень быстро.
Группа ученых под руководством Мишеля Девoре (Michel Devoret) из Йельского университета предложила
использовать эти состояния для кодирования кубитов и показала их возможности с
помощью сверхпроводникового микроволнового резонатора.
Сфера Блоха для (a) состояний кошек Шредингера, (b) фоковских состояний, (c) распределение энергии в фазовом пространстве для (a) и (b), (d) фотография экспериментальной схемы, (e) схема «улитки», (f) фотография «улитки» с четырьмя Джозефсоновскими переходами
M. H. Devoret et al./ Nature, 2020
Состояния кубита удобнее всего изображать на сфере
Блоха, где каждая точка соответствует определенному состоянию. Аналогично
привычному фоковскому базису, когда используется 0 и 1 для описания состояния,
на сфере Блоха можно изобразить и состояния котов Шредингера. Тогда в крайних точках оси Х будут
располагаться когерентные состояния с разными фазами, а в противоположных
точках оси Z —
суперпозиции этих состояний с разными знаками. За сдвиг фазы между двумя
когерентными состояниям в суперпозиции отвечает ось Y. Самый распространенный вид шума в квантовой системе —
потеря фотона — никак не влияет на состояния в крайних точках оси X, но может
приводить к перевороту суперпозиционных состояний по оси Z.
Экспериментальная установка представляет собой сверхпроводниковую
схему, которую поместили в микроволновый 3D-резонатор. В отличие от стандартных схем,
для своего эксперимента ученые использовали сверхпроводниковый нелинейный асимметрический
элемент (SNAIL) похожий на улитку. Конфигурация установки позволяет управлять током в «улитке» и «сжимать»
состояния кубита при приложении внешнего поля. Такая система имеет два стабильных состояния, которыми
можно управлять с помощью «сжатия» и в пределе получать просто ангармонический
осциллятор (его как раз используют для «фоковских кубитов»).
Авторы исследовали влияние сжатости состояния на частоту
осцилляций Раби в системе. Они показали, что при больших амплитудах сжатия,
частота Раби начинает линейно зависеть от корня из амплитуды. Как и ожидалось, при
фиксированном сжатии состояния осцилляции имеют период π.
(a) последовательности импульсов в эксперименте, (b) зависимость частоты Раби от сжатия состояния, (c) частота Раби при разных фазах и временах, (d) срезы графика (c)
M. H. Devoret et al./ Nature, 2020
Чтобы показать возможность использования предложенной
схемы в квантовых вычислениях, ученые реализовали простейшие квантовые операции
на котах Шредингера. Для этого они меняли начальные состояния системы, пропускали
состояние через неизвестный квантовый вентиль и измеряли получившиеся состояние. Благодаря
таким измерениям можно определить, какому преобразованию подвергалась система. Величина, которая показывает, насколько экспериментальные данные совпадают с их теоретическим описанием называется степенью совпадения (fidelity). Оказалось,
что для набора однокубитных вентилей она составляет порядка 85 процентов. Авторы
предполагают, что большой вклад в различие между экспериментом и теорией вносят
ошибки при приготовлении и измерении состояния, с которыми они планируют
бороться в дальнейшем.
Помимо того, что предложенная схема позволяет реализовать
устойчивый к шумам квантовый вычислитель и может быть полезной во многих
областях квантовых технологий, она важна и с теоретической точки зрения в
исследовании фундаментальных квантовых эффектов в других системах.
Кроме сверхпроводников основой для создания и исследования котов Шредингера могут быть, например, оптические фотоны. Так, китайские ученые из Университета науки и
технологий создали кота Шредингера из десяти фотонов. А
российские физики научились делать котов «упитаннее».
Оксана Борзенкова
Источник: labuda.blog
Комментарии (0)
{related-news}
[/related-news]