Een team van Dartmouth College en MIT heeft de eerste laboratoriumtest ontworpen en uitgevoerd om met succes een klasse van complexe, "niet-Gaussiaanse" ruisprocessen die routinematig worden aangetroffen in supergeleidende kwantumcomputersystemen.

De karakterisering van niet-Gaussiaanse ruis in supergeleidende kwantumbits is een cruciale stap om deze systemen nauwkeuriger te maken.

De gezamenlijke studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zou de realisatie van kwantumcomputersystemen kunnen helpen versnellen. Het experiment was gebaseerd op eerder theoretisch onderzoek uitgevoerd in Dartmouth en gepubliceerd in: Fysieke beoordelingsbrieven anno 2016.

"Dit is de eerste concrete stap in de richting van het karakteriseren van meer gecompliceerde soorten ruisprocessen dan algemeen wordt aangenomen in het kwantumdomein, " zei Lorenza Viola, een professor in de natuurkunde aan Dartmouth die de studie van 2016 leidde, evenals de theoriecomponent van het huidige werk. "Omdat qubit-coherentie-eigenschappen voortdurend worden verbeterd, het is belangrijk om niet-Gaussiaanse ruis te detecteren om zo nauwkeurig mogelijke kwantumsystemen te bouwen."

Kwantumcomputers verschillen van traditionele computers doordat ze verder gaan dan de binaire "aan-uit"-sequencing die de klassieke natuurkunde begunstigt. Kwantumcomputers vertrouwen op kwantumbits - ook wel qubits genoemd - die zijn opgebouwd uit atomaire en subatomaire deeltjes.

Eigenlijk, qubits kunnen tegelijkertijd in een combinatie van zowel "aan" als "uit" worden geplaatst. Ze kunnen ook "verstrikt, " wat betekent dat de eigenschappen van de ene qubit een andere over een afstand kunnen beïnvloeden.

Supergeleidende qubit-systemen worden beschouwd als een van de grootste kanshebbers in de race om schaalbare, goed presterende kwantumcomputers. Maar, net als andere qubit-platforms, ze zijn zeer gevoelig voor hun omgeving en kunnen worden beïnvloed door zowel externe ruis als interne ruis.

Externe ruis in kwantumcomputersystemen kan afkomstig zijn van besturingselektronica of verdwaalde magnetische velden. Interne ruis kan afkomstig zijn van andere ongecontroleerde kwantumsystemen, zoals materiële onzuiverheden. Het vermogen om ruis te verminderen is een belangrijk aandachtspunt bij de ontwikkeling van kwantumcomputers.

"De grote barrière die ons verhindert om nu grootschalige kwantumcomputers te hebben, is dit geluidsprobleem." zei Leigh Norris, een postdoctoraal medewerker bij Dartmouth die co-auteur was van de studie. "Dit onderzoek brengt ons in de richting van het begrijpen van het geluid, wat een stap is om het te annuleren, en hopelijk ooit een betrouwbare kwantumcomputer te hebben."

Ongewenste ruis wordt vaak beschreven in termen van eenvoudige "Gaussiaanse" modellen, waarin de kansverdeling van de willekeurige fluctuaties van ruis een vertrouwd, klokvormige Gauss-curve. Niet-Gaussiaanse ruis is moeilijker te beschrijven en te detecteren omdat het buiten het geldigheidsbereik van deze aannames valt en omdat er simpelweg minder van is.

Wanneer de statistische eigenschappen van ruis Gaussiaans zijn, een kleine hoeveelheid informatie kan worden gebruikt om de ruis te karakteriseren, namelijk de correlaties op slechts twee verschillende tijdstippen, of gelijkwaardig, in termen van een frequentiedomeinbeschrijving, het zogenaamde "ruisspectrum".

Dankzij hun hoge gevoeligheid voor de omgeving, qubits kunnen worden gebruikt als sensoren van hun eigen ruis. Voortbouwend op dit idee, onderzoekers hebben vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van technieken voor het identificeren en verminderen van Gauss-ruis in kwantumsystemen, vergelijkbaar met hoe hoofdtelefoons met ruisonderdrukking werken.

Hoewel het niet zo gewoon is als Gauss-ruis, het identificeren en annuleren van niet-Gaussiaanse ruis is een even belangrijke uitdaging voor het optimaal ontwerpen van kwantumsystemen.

Niet-Gaussiaanse ruis onderscheidt zich door meer gecompliceerde correlatiepatronen waarbij meerdere tijdstippen betrokken zijn. Als resultaat, er is veel meer informatie over het geluid nodig om het te kunnen identificeren.

In de studie, onderzoekers waren in staat om kenmerken van niet-Gaussiaanse ruis te benaderen met behulp van informatie over correlaties op drie verschillende tijdstippen, overeenkomend met wat bekend staat als het "bispectrum" in het frequentiedomein.

"Dit is de eerste keer dat een gedetailleerde, frequentie-opgeloste karakterisering van niet-Gaussiaanse ruis kon worden gedaan in een laboratorium met qubits. Dit resultaat breidt de toolbox die we beschikbaar hebben aanzienlijk uit om nauwkeurige ruiskarakterisering uit te voeren en daarom betere en stabielere qubits in kwantumcomputers te maken, ' zei Viola.

Een kwantumcomputer die geen niet-Gaussiaanse ruis kan detecteren, kan gemakkelijk worden verward tussen het kwantumsignaal dat hij zou moeten verwerken en ongewenste ruis in het systeem. Protocollen voor het bereiken van niet-Gaussiaanse ruisspectroscopie bestonden niet tot de Dartmouth-studie in 2016.

Hoewel het MIT-experiment om het protocol te valideren niet meteen grootschalige kwantumcomputers praktisch levensvatbaar zal maken, het is een grote stap om ze nauwkeuriger te maken.

"Dit onderzoek begon op het whiteboard. We wisten niet of iemand het in de praktijk zou kunnen brengen, maar ondanks aanzienlijke conceptuele en experimentele uitdagingen, het MIT-team deed het, " zei Felix Beaudoin, een voormalige postdoctorale student uit Dartmouth in de groep van Viola die ook een belangrijke rol speelde bij het overbruggen van theorie en experiment in het onderzoek.

"Het was een absoluut genot om samen te werken met Lorenza Viola en haar fantastische theorieteam in Dartmouth, " zei William Oliver, een professor in de natuurkunde aan het MIT. "We werken al jaren samen aan verschillende projecten en, terwijl quantum computing overgaat van wetenschappelijke nieuwsgierigheid naar technische realiteit, Ik anticipeer op de behoefte aan meer van dergelijke interdisciplinaire en interinstitutionele samenwerking."

Volgens het onderzoeksteam er zijn nog jaren extra werk nodig om de detectie en onderdrukking van ruis in kwantumsystemen te perfectioneren. Vooral, toekomstig onderzoek zal verschuiven van een systeem met één sensor naar een systeem met twee sensoren, waardoor de karakterisering van ruiscorrelaties over verschillende qubits mogelijk is.