КВАНТОВЫЙ КОТ, КОТОРЫЙ МИНУТАМИ ОСТАЁТСЯ НА МЕСТЕ

Квантовый компьютер будет полезен, только если сможет исправлять собственные ошибки. Это требует огромного количества аппаратуры — если только ошибки не перекошены в одну сторону. Если один вид ошибок почти никогда не случается, корректирующему коду приходится бороться лишь с другим видом, и он может быть гораздо проще.

Так называемые кошачьи кубиты (cat qubits) изначально задуманы перекошенными. Они хранят информацию в сверхпроводящей схеме, удерживающей микроволновое поле, в виде двух противоположных колебаний этого поля. Превратить 0 в 1 — совершить переворот бита (bit flip) — значит перескочить от одного колебания к другому. Чем больше фотонов в поле, тем дальше друг от друга два состояния: перевороты бита становятся экспоненциально реже с ростом числа фотонов, тогда как другая ошибка, переворот фазы (phase flip), растёт лишь пропорционально.

Две долины, одно слабое место

Удержать кота на месте можно двумя способами. «Диссипативных» котов постоянно возвращает к их двум состояниям партнёр с потерями; они уже держатся более 100 секунд. «Керровские» коты, напротив, находятся в энергетическом ландшафте с двумя долинами, разделёнными барьером, который создаётся накачкой нелинейной схемы. Их преимущество — быстрое управление. Их слабость — перевороты бита всего через миллисекунды: одно недавнее улучшение довело это время до 3,6 мс, что всё ещё на пять порядков меньше нужного.

Причина в том, что ничто не отводит лишнюю энергию. Шум выбивает кота в возбуждённые состояния внутри его долины, а оттуда соскользнуть в другую долину становится гораздо легче. Хуже того, при сильной накачке кубит обычно входит в резонансы со своей схемой считывания, которые резко разрушают защиту.

Схема считывания как сток

Сергей Хазанов (Sergey Hazanov), Михаил Свинцов (Mikhail Svintsov) и их коллеги из Института науки имени Вейцмана в Израиле обратили эту проблему себе на пользу. То же самое нелинейное взаимодействие, которое роет две долины, связывает возбуждения внутри каждой долины с резонатором считывания — схемой, которая постоянно отдаёт фотоны в измерительную линию.

Когда энергия возбуждения совпадает с разницей между частотой накачки и частотой резонатора считывания — это «автопараметрический» резонанс, — возбуждение передаётся в виде фотона считывания, который уходит прочь. Сами 0 или 1 остаются нетронутыми. Второй сток появляется через фильтр, стоящий на выходной линии.

Команда измерила это напрямую: в резонансе первое возбуждённое состояние опустошается так быстро, как позволяет схема считывания, а более высокие состояния стекают каскадом. Их чипу — алюминий на кремнии, охлаждённый до 10 милликельвинов, — не понадобились ни дополнительная охлаждающая накачка, ни дополнительный элемент схемы.

Семь порядков величины

Вдали от резонансов перевороты бита по-прежнему происходили за миллисекунды. Вблизи них защита резко выросла:

• 519 миллисекунд на резонансе считывания (22,4 фотона);
• 15,4 секунды между двумя резонансами (27,3 фотона);
• никакого измеримого распада сохранённого состояния за 100-секундное окно измерения на резонансе фильтра (33,8 фотона), то есть время переворота бита превышает 100 секунд.

Подсчитывая редкие перевороты в длинных записях повторяющихся считываний — 62 переворота за 15 часов, — команда оценила время переворота бита в этой последней точке: 448 ± 57 секунд, что более чем на пять порядков превосходит прежних керровских котов.

Экспоненциальное убывание числа переворотов бита с ростом числа фотонов — определяющее предсказание для керровских котов, но наблюдать его прежде не удавалось. Здесь оно проявилось: каждый дополнительный фотон умножал время переворота бита в 1,82 ± 0,06 раза — от 52 микросекунд при 7,4 фотона до 448 секунд при 33,8, то есть примерно на семь порядков, без признаков выхода на плато.

Быстрые операции, бережное считывание

Защита ничего не стоит, если кубитом больше нельзя пользоваться. Простой поворот охлаждённого кубита занимал 8 наносекунд, а если оставить эту управляющую накачку включённой всё время, время переворота бита не сокращалось (0,65 с с ней, 0,64 с без неё). Считывание кубита за 4 микросекунды вызывало переворот лишь в 5 случаях из 10 миллионов считываний.

Другая ошибка

Цена — переворот фазы. Он следует ожидаемому пределу, заданному потерей отдельных фотонов, — примерно T₁/(2n̄), где T₁ — время жизни фотона в схеме (около 8 микросекунд), а n̄ — число фотонов. При 24,2 фотона кот держался 3,55 секунды против переворотов бита, но лишь 113 наносекунд против переворотов фазы: асимметрия примерно 30 миллионов к одному.

Авторы указывают два способа сократить этот разрыв. Время жизни фотонов в 55,7 микросекунды уже было продемонстрировано в других работах — примерно в семь раз дольше, чем здесь. А более холодная схема оставляла бы меньше лишних возбуждений, что, возможно, позволило бы получить ту же защиту с меньшим числом фотонов — и, значит, с меньшим числом переворотов фазы.