Wetenschap
Meten van verbetering in het ontwerp van pulsen voor kwantumsystemen
Op zoek naar een methode om fouten in luidruchtige kwantumsystemen te verminderen, Kajsa Williams en Louis-S. Bouchard, onderzoekers van het Center for Quantum Science and Engineering van de Universiteit van Californië, Los Angeles, implementeerden en evalueerden de prestaties van single-qubit-poorten met behulp van speciaal ontworpen samengestelde en adiabatische pulsen. Hoewel ze geen bijzondere voordelen vonden in termen van lekkage en doorsijpeling van de poorten in vergelijking met standaardpoorten, was de robuustheid bij het beheersen van veldfouten aanzienlijk verbeterd.
Hun onderzoek is gepubliceerd in Intelligent Computing .
Kwantumcomputing op moderne, luidruchtige kwantumapparaten op middelgrote schaal is nog steeds alleen voordelig voor specifieke toepassingen. Pogingen om de duur en complexiteit van berekeningen die op deze apparaten worden uitgevoerd te vergroten, leiden al snel tot de opeenstapeling van een onaanvaardbare hoeveelheid fouten.
Het verbeteren van de robuustheid van de poorten om de drift van het controlesysteem te controleren zou de accumulatie van fouten verminderen en zo het bereik van mogelijke toepassingen van kwantumcomputers vergroten. De ontwerpen van Williams en Bouchard voor samengestelde en adiabatische pulsen om single-qubit-poorten te implementeren verbeterden de robuustheid met bijna een orde van grootte.
Williams en Bouchard gebruikten de softwaretool Qiskit en het IBM Quantum Experience (IBM-QE) -platform om samengestelde pulsen en adiabatische pulsen te implementeren en te valideren voor het besturen van een supergeleidende qubit. Ze voerden kalibratieprocedures uit om een draaggolffrequentie voor de pulsen te bepalen waarmee ze verbetering ten opzichte van de standaardpuls konden aantonen. Nadat ze parameters voor de samengestelde pulsen hadden gekozen, simuleerden ze het effect van de pulsen met Python.
Python werd ook gebruikt om te zoeken naar parameters voor de adiabatische pulsen die ze ontwierpen voorafgaand aan hun implementatie en validatie op IBM-QE.
Ze gebruikten hun speciaal ontworpen pulsen – een verscheidenheid aan Gaussiaanse, DRAG- en HS1-pulsen – om een transmon-qubit op het IBM-QE-platform en de supergeleidende kwantumprocessor van Lima te besturen. Voor prestatie-evaluatie werd gerandomiseerde benchmarking gebruikt. Adiabatische pulsen met volledige doorgang waren de meest robuuste van de geteste pulsen.
Volgens de auteurs "maakt de succesvolle implementatie van [adiabatische volledige doorgang] pulsen die slechts 2,8 tot 5 keer langer zijn dan enkele pulsen samengestelde [adiabatische volledige doorgang] schema's mogelijk; anders zouden dergelijke pulsen een onhoudbaar deel van de intrinsieke coherentietijd in beslag nemen. "
Toekomstig werk zou zich kunnen concentreren op het verminderen van fouten zelf door lekkage en kwel te verminderen. Lekkage verwijst naar het fenomeen waarbij een qubit overgaat van de toestanden die zijn aangewezen voor berekening naar toestanden met hogere energie die geen deel uitmaken van de rekenbewerkingen. Dit kan gebeuren als gevolg van onvolkomenheden in de stuurpulsen of interacties met de omgeving.
Lekkage is problematisch omdat het kan leiden tot fouten die niet gemakkelijk kunnen worden gecorrigeerd met standaard kwantumfoutcorrectietechnieken. Seepage is een gerelateerd concept en verwijst naar de snelheid waarmee qubits terugkeren uit de lekstatus. Seepage is ook problematisch omdat sommige qubits terugkeren naar de verkeerde status. Zowel lekkage als lekkage zijn belangrijke factoren bij het beoordelen van de betrouwbaarheid en robuustheid van kwantumbewerkingen op NISQ-apparaten.