मिनिटेभर जागीच राहणारी पुंज मांजर

पुंज संगणक तेव्हाच उपयुक्त ठरेल जेव्हा तो स्वतःच्या त्रुटी दुरुस्त करू शकेल. त्यासाठी प्रचंड हार्डवेअर लागते — जोपर्यंत त्रुटी एकांगी (lopsided) नसतात. जर एका प्रकारची त्रुटी जवळजवळ कधीच घडत नसेल, तर दुरुस्ती करणाऱ्या संकेताला (code) फक्त दुसऱ्या प्रकाराशी लढावे लागते, आणि तो खूप सोपा असू शकतो.

तथाकथित मांजर क्युबिट (cat qubits) एकांगी असण्यासाठीच बनवले जातात. ते माहिती मायक्रोवेव्ह क्षेत्र धारण करणाऱ्या अतिवाहक (superconducting) परिपथात, त्या क्षेत्राच्या दोन परस्परविरुद्ध दोलनांच्या रूपात साठवतात. 0 चे 1 मध्ये रूपांतर — बिट उलटणे (bit flip) — म्हणजे एका दोलनातून दुसऱ्यात उडी. क्षेत्रात जितके अधिक फोटॉन, तितक्या दोन अवस्था एकमेकींपासून दूर: बिट उलटणे फोटॉन-संख्येसोबत घातांकी प्रमाणात दुर्मीळ होते, तर दुसरी त्रुटी, कला उलटणे (phase flip), केवळ प्रमाणशीरपणे वाढते.

दोन दऱ्या, एक कमकुवत जागा

मांजरीला जागी ठेवण्याचे दोन मार्ग आहेत. “अपव्ययी” (dissipative) मांजरींना ऊर्जा गमावणारा एक साथीदार सतत त्यांच्या दोन अवस्थांकडे परत ढकलतो; त्या आधीच 100 सेकंदांहून अधिक टिकतात. याउलट “Kerr” मांजरी अडथळ्याने विभागलेल्या दोन दऱ्या असलेल्या ऊर्जा-भूदृश्यात बसतात, जे एका अरेखीय (nonlinear) परिपथाला चालना (drive) देऊन तयार होते. त्यांचा फायदा म्हणजे जलद नियंत्रण. त्यांची कमकुवत बाजू: केवळ मिलिसेकंदांनंतरच बिट उलटणे — अलीकडील एका सुधारणेने 3.6 ms गाठले, तरीही ते पाच परिमाण-श्रेणींनी (orders of magnitude) कमी आहे.

याचे कारण असे की भरकटलेली ऊर्जा काढून टाकणारे काहीच नसते. गोंगाट मांजरीला तिच्या दरीतील उत्तेजित अवस्थांमध्ये ढकलतो, आणि तिथून दुसऱ्या दरीत घसरणे खूप सोपे होते. आणखी वाईट म्हणजे, तीव्र चालनेखाली क्युबिट सहसा त्याच्या वाचन परिपथाशी अनुनादात (resonance) येतो, ज्यामुळे संरक्षणाला तीव्र हानी पोहोचते.

निचरा म्हणून वाचन परिपथ

इस्रायलमधील Weizmann Institute of Science मधील Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov आणि सहकाऱ्यांनी ही समस्या उलटी फिरवली. दोन दऱ्या खोदणारी तीच अरेखीय आंतरक्रिया प्रत्येक दरीतील उत्तेजनांना वाचन अनुनादकाशी (readout resonator) जोडते — हे असे परिपथ आहे जे सतत मापन-रेषेत फोटॉन गळत असते.

जेव्हा एखाद्या उत्तेजनाची ऊर्जा चालना आणि वाचन अनुनादक यांच्यातील अंतराशी जुळते — एक “स्वयंप्राचलिक” (autoparametric) अनुनाद — तेव्हा ते उत्तेजन वाचन-फोटॉनच्या रूपात सुपूर्द केले जाते, आणि तो फोटॉन निसटून जातो. 0 किंवा 1 स्वतः अस्पर्शित राहतो. निर्गम रेषेवर (output line) बसवलेल्या फिल्टरद्वारे दुसरा निचरा दिसून येतो.

पथकाने हे थेट मोजले: अनुनादावर, पहिली उत्तेजित अवस्था वाचन परिपथ जितक्या वेगाने परवानगी देतो तितक्या वेगाने रिकामी होते, आणि उच्च अवस्थांचा एका शृंखलेत (cascade) निचरा होतो. त्यांच्या चिपला — सिलिकॉनवरील ॲल्युमिनियम, 10 मिलिकेल्विनपर्यंत थंड केलेली — कोणत्याही अतिरिक्त शीतकरण-चालनेची किंवा अतिरिक्त परिपथ-घटकाची गरज पडली नाही.

सात परिमाण-श्रेणी

अनुनादांपासून दूर, बिट उलटणे अजूनही काही मिलिसेकंदांतच घडत होते. त्यांच्या जवळ, संरक्षण झपाट्याने वाढले:

• वाचन अनुनादावर 519 मिलिसेकंद (22.4 फोटॉन);
• दोन अनुनादांच्या दरम्यान 15.4 सेकंद (27.3 फोटॉन);
• फिल्टर अनुनादावर 100 सेकंदांच्या मापन-कालखंडात साठवलेल्या अवस्थेचा कोणताही मोजता येण्याजोगा ऱ्हास नाही (33.8 फोटॉन), म्हणजे बिट-उलटण्याचा काळ 100 सेकंदांहून अधिक.

वारंवार केलेल्या वाचनांच्या दीर्घ नोंदींमध्ये दुर्मीळ उलटणे मोजून — 15 तासांत 62 उलटणे — पथकाने त्या शेवटच्या बिंदूवर बिट-उलटण्याचा काळ अंदाजला: 448 ± 57 सेकंद, आधीच्या Kerr मांजरींपेक्षा पाच परिमाण-श्रेणींहून अधिक.

फोटॉन-संख्येसोबत घातांकी प्रमाणात घटणारे बिट उलटणे हे Kerr मांजरींचे एक निर्णायक भाकीत आहे, पण ते कधीच निरीक्षणात आले नव्हते. येथे ते दिसले: प्रत्येक अतिरिक्त फोटॉनने बिट-उलटण्याचा काळ 1.82 ± 0.06 ने गुणला, 7.4 फोटॉनवरील 52 मायक्रोसेकंदांपासून 33.8 वरील 448 सेकंदांपर्यंत, सुमारे सात परिमाण-श्रेणी, आणि सपाट होण्याचे कोणतेही चिन्ह नाही.

जलद गेट्स, सौम्य वाचन

क्युबिट वापरताच येत नसेल तर संरक्षण निरुपयोगी आहे. थंड केलेल्या क्युबिटचे एक मूलभूत परिभ्रमण (rotation) 8 नॅनोसेकंदांत झाले, आणि ती परिभ्रमण-चालना संपूर्ण वेळ चालू ठेवल्याने बिट-उलटण्याचा काळ कमी झाला नाही (तिच्यासह 0.65 s, तिच्याशिवाय 0.64 s). 4 मायक्रोसेकंदांत क्युबिटचे वाचन केल्याने 10 दशलक्ष वाचनांपैकी केवळ 5 वेळा उलटणे घडले.

दुसरी त्रुटी

याची किंमत म्हणजे कला उलटणे. ते एकेकट्या फोटॉनच्या ह्रासाने ठरणाऱ्या अपेक्षित मर्यादेचे पालन करते, सुमारे T₁/(2n̄), जिथे T₁ म्हणजे परिपथातील फोटॉनचे आयुष्य (सुमारे 8 मायक्रोसेकंद) आणि n̄ म्हणजे फोटॉन-संख्या. 24.2 फोटॉनवर, मांजर बिट उलटण्याविरुद्ध 3.55 सेकंद टिकली पण कला उलटण्याविरुद्ध केवळ 113 नॅनोसेकंद: सुमारे 30 दशलक्ष विरुद्ध एक इतका पक्षपात (bias).

लेखक ही दरी भरून काढण्याचे दोन मार्ग सुचवतात. 55.7 मायक्रोसेकंदांचे फोटॉन-आयुष्य इतरत्र आधीच प्रत्यक्ष दाखवले गेले आहे, येथील आयुष्यापेक्षा सुमारे सात पट जास्त. आणि अधिक थंड परिपथांमध्ये कमी भरकटलेली उत्तेजने उरतील, ज्यामुळे कदाचित कमी फोटॉनमध्येच तेवढेच संरक्षण मिळेल — आणि म्हणूनच कमी कला उलटणे.