EINE QUANTENKATZE, DIE MINUTENLANG AN IHREM PLATZ BLEIBT

Ein Quantencomputer wird nur dann nützlich sein, wenn er seine eigenen Fehler korrigieren kann. Das kostet sehr viel Hardware – es sei denn, die Fehler sind einseitig verteilt. Wenn eine Fehlerart fast nie auftritt, muss der korrigierende Code nur die andere bekämpfen und kann viel einfacher sein.

Sogenannte Katzen-Qubits (cat qubits) sind auf diese Einseitigkeit hin gebaut. Sie speichern Information in einem supraleitenden Schaltkreis, der ein Mikrowellenfeld enthält, als zwei entgegengesetzte Schwingungen dieses Feldes. Eine 0 in eine 1 zu verwandeln – ein Bitflip – bedeutet, von einer Schwingung zur anderen zu springen. Je mehr Photonen im Feld sind, desto weiter liegen die beiden Zustände auseinander: Bitflips werden mit der Photonenzahl exponentiell seltener, während der andere Fehler, der Phasenflip, nur proportional zunimmt.

Zwei Täler, eine Schwachstelle

Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Katze an ihrem Platz zu halten. „Dissipative“ Katzen werden von einem verlustbehafteten Partner ständig zu ihren beiden Zuständen zurückgedrängt; sie halten bereits mehr als 100 Sekunden. „Kerr“-Katzen sitzen dagegen in einer Energielandschaft mit zwei Tälern, getrennt durch eine Barriere, die durch das Treiben eines nichtlinearen Schaltkreises entsteht. Ihr Vorteil ist die schnelle Steuerung. Ihre Schwäche: Bitflips schon nach Millisekunden – eine jüngste Verbesserung erreichte 3,6 ms, immer noch fünf Größenordnungen zu wenig.

Der Grund: Nichts führt überschüssige Energie ab. Rauschen stößt die Katze in angeregte Zustände innerhalb ihres Tals, und von dort aus fällt das Hinüberrutschen ins andere Tal viel leichter. Schlimmer noch: Bei starkem Treiben gerät das Qubit meist in Resonanzen mit seinem Auslesekreis, die den Schutz stark beeinträchtigen.

Der Auslesekreis als Abfluss

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov und ihr Team am Weizmann Institute of Science in Israel drehten dieses Problem um. Dieselbe nichtlineare Wechselwirkung, die die beiden Täler gräbt, koppelt auch die Anregungen innerhalb jedes Tals an den Ausleseresonator, einen Schaltkreis, der ständig Photonen in die Messleitung verliert.

Wenn die Energie einer Anregung dem Abstand zwischen Treibsignal und Ausleseresonator entspricht – eine „autoparametrische“ Resonanz –, wird die Anregung als Auslesephoton weitergereicht, das entweicht. Die 0 oder 1 selbst bleibt unberührt. Ein zweiter Abfluss entsteht über den Filter, der auf der Ausgangsleitung sitzt.

Das Team maß dies direkt: In Resonanz leert sich der erste angeregte Zustand so schnell, wie es der Auslesekreis erlaubt, und höhere Zustände fließen in einer Kaskade ab. Der Chip des Teams – Aluminium auf Silizium, gekühlt auf 10 Millikelvin – brauchte kein zusätzliches Kühlsignal und kein zusätzliches Schaltungselement.

Sieben Größenordnungen

Abseits der Resonanzen kamen Bitflips weiterhin innerhalb von Millisekunden. In ihrer Nähe schnellte der Schutz in die Höhe:

• 519 Millisekunden auf der Ausleseresonanz (22,4 Photonen);
• 15,4 Sekunden zwischen den beiden Resonanzen (27,3 Photonen);
• kein messbarer Zerfall des gespeicherten Zustands innerhalb eines 100-Sekunden-Messfensters auf der Filterresonanz (33,8 Photonen), also eine Bitflip-Zeit von mehr als 100 Sekunden.

Durch das Zählen seltener Flips in langen Aufzeichnungen wiederholter Auslesungen – 62 Flips in 15 Stunden – schätzte das Team die Bitflip-Zeit an diesem letzten Punkt: 448 ± 57 Sekunden, mehr als fünf Größenordnungen über früheren Kerr-Katzen.

Bitflips, die mit der Photonenzahl exponentiell abnehmen, sind eine Kernvorhersage für Kerr-Katzen, waren aber noch nie beobachtet worden. Hier war es so weit: Jedes zusätzliche Photon vervielfachte die Bitflip-Zeit um den Faktor 1,82 ± 0,06, von 52 Mikrosekunden bei 7,4 Photonen bis 448 Sekunden bei 33,8, rund sieben Größenordnungen, ohne Anzeichen einer Abflachung.

Schnelle Gatter, schonendes Auslesen

Schutz ist wertlos, wenn sich das Qubit nicht mehr nutzen lässt. Eine grundlegende Drehung des gekühlten Qubits dauerte 8 Nanosekunden, und blieb das Treibsignal für diese Drehung durchgehend eingeschaltet, verkürzte das die Bitflip-Zeit nicht (0,65 s mit, 0,64 s ohne). Das Auslesen des Qubits in 4 Mikrosekunden verursachte nur 5-mal in 10 Millionen Auslesungen einen Flip.

Der andere Fehler

Der Preis ist der Phasenflip. Er folgt der erwarteten Grenze, die durch den Verlust einzelner Photonen gesetzt wird, etwa T₁/(2n̄), wobei T₁ die Photonenlebensdauer des Schaltkreises ist (etwa 8 Mikrosekunden) und n̄ die Photonenzahl. Bei 24,2 Photonen hielt die Katze 3,55 Sekunden gegen Bitflips stand, aber nur 113 Nanosekunden gegen Phasenflips: eine Asymmetrie (bias) von etwa 30 Millionen zu eins.

Das Team nennt zwei Wege, die Lücke zu schließen. Photonenlebensdauern von 55,7 Mikrosekunden wurden anderswo bereits gezeigt, etwa siebenmal länger als hier. Und eine kältere Elektronik würde weniger überschüssige Anregungen zurücklassen, was möglicherweise denselben Schutz mit weniger Photonen ermöglicht – und damit weniger Phasenflips.