నిమిషాల పాటు కదలకుండా ఉండే ఒక క్వాంటం పిల్లి
ఒక క్వాంటం కంప్యూటర్ తన సొంత దోషాలను సరిదిద్దుకోగలిగితేనే ఉపయోగపడుతుంది. దానికి చాలా హార్డ్‌వేర్ ఖర్చవుతుంది — దోషాలు ఏకపక్షంగా (lopsided) ఉంటే తప్ప. ఒక రకమైన దోషం దాదాపు ఎప్పుడూ జరగకపోతే, దిద్దుబాటు కోడ్ మరో రకంతో మాత్రమే పోరాడాలి, అది చాలా సరళంగా ఉండగలదు.
క్యాట్ క్యూబిట్‌లు (cat qubits) అని పిలిచేవి ఏకపక్షంగా ఉండేలానే నిర్మించబడతాయి. అవి ఒక మైక్రోవేవ్ క్షేత్రాన్ని నిలిపి ఉంచే ఒక అతివాహక (superconducting) సర్క్యూట్‌లో సమాచారాన్ని నిల్వ చేస్తాయి, ఆ క్షేత్రపు రెండు వ్యతిరేక డోలనాలుగా (opposite oscillations). ఒక 0ని 1గా మార్చడం — ఒక బిట్ ఫ్లిప్ (bit flip) — అంటే ఒక డోలనం నుంచి మరొకదానికి దూకడం. క్షేత్రంలో ఎన్ని ఎక్కువ ఫోటాన్లు ఉంటే, రెండు స్థితులు అంత దూరంగా ఉంటాయి: ఫోటాన్ల సంఖ్యతో పాటు బిట్ ఫ్లిప్‌లు ఘాతాంకపరంగా (exponentially) అరుదవుతాయి, కాగా మరో దోషం, ఫేజ్ ఫ్లిప్ (phase flip), కేవలం అనుపాతంలోనే పెరుగుతుంది.
రెండు లోయలు, ఒక బలహీనత
ఒక పిల్లిని స్థానంలో ఉంచడానికి రెండు మార్గాలు ఉన్నాయి. “విసర్జక” (dissipative) పిల్లులు, శక్తిని కోల్పోయే ఒక భాగస్వామి ద్వారా నిరంతరం తమ రెండు స్థితుల వైపు వెనక్కి నెట్టబడతాయి; అవి ఇప్పటికే 100 సెకన్లకు పైగా నిలుస్తాయి. “కెర్” (Kerr) పిల్లులు మాత్రం ఒక అడ్డుగోడతో (barrier) వేరైన రెండు లోయలు ఉన్న ఒక శక్తి భూదృశ్యంలో (energy landscape) ఉంటాయి; ఒక అరేఖీయ (nonlinear) సర్క్యూట్‌ను డ్రైవ్ చేయడం ద్వారా దాన్ని సృష్టిస్తారు. వాటి ప్రయోజనం వేగవంతమైన నియంత్రణ. వాటి బలహీనత: కేవలం మిల్లీసెకన్ల తర్వాతే బిట్ ఫ్లిప్‌లు — ఇటీవలి ఒక మెరుగుదల 3.6 msకు చేరింది, అయినా ఇంకా ఐదు పరిమాణ క్రమాలు (orders of magnitude) వెనుకబడే ఉంది.
కారణం, దారితప్పిన శక్తిని ఏదీ తొలగించకపోవడం. శబ్దం పిల్లిని దాని లోయ లోపలే ఉత్తేజిత స్థితుల్లోకి (excited states) తన్నుతుంది, అక్కడి నుంచి మరో లోయలోకి జారిపోవడం చాలా సులభమవుతుంది. ఇంకా ఘోరంగా, బలమైన డ్రైవింగ్ వద్ద, క్యూబిట్ సాధారణంగా తన రీడౌట్ సర్క్యూట్‌తో అనునాదాల్లోకి (resonances) ప్రవేశిస్తుంది, అవి రక్షణను తీవ్రంగా దెబ్బతీస్తాయి.
రీడౌట్ సర్క్యూట్ ఒక కాలువగా
ఇజ్రాయెల్‌లోని వైజ్‌మన్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ సైన్స్‌కు (Weizmann Institute of Science) చెందిన సెర్గీ హజనోవ్ (Sergey Hazanov), మిఖాయిల్ స్విన్త్సోవ్ (Mikhail Svintsov), సహచరులు ఈ సమస్యను తలకిందులు చేశారు. రెండు లోయలను తవ్వే అదే అరేఖీయ పరస్పర చర్య, ప్రతి లోయ లోపలి ఉత్తేజాలను (excitations) రీడౌట్ అనునాదకానికి (readout resonator) కూడా అనుసంధానిస్తుంది — ఇది కొలత లైన్‌లోకి నిరంతరం ఫోటాన్లను కారుస్తూ ఉండే ఒక సర్క్యూట్.
ఒక ఉత్తేజపు శక్తి డ్రైవ్‌కు, రీడౌట్ అనునాదకానికి మధ్య ఉన్న అంతరానికి సరిపోలినప్పుడు — దీన్ని “ఆటోపారామెట్రిక్” (autoparametric) అనునాదం అంటారు — ఆ ఉత్తేజం ఒక రీడౌట్ ఫోటాన్‌గా అప్పగించబడుతుంది, అది బయటకు తప్పించుకుంటుంది. 0 లేదా 1 మాత్రం తాకబడకుండానే ఉంటుంది. అవుట్‌పుట్ లైన్‌పై ఉన్న ఫిల్టర్ ద్వారా రెండవ కాలువ కనిపిస్తుంది.
బృందం దీన్ని నేరుగా కొలిచింది: అనునాదం వద్ద, మొదటి ఉత్తేజిత స్థితి రీడౌట్ సర్క్యూట్ అనుమతించినంత వేగంగా ఖాళీ అవుతుంది, అధిక స్థితులు ఒక జలపాత క్రమంలో (cascade) ఖాళీ అవుతాయి. వారి చిప్‌కు — సిలికాన్‌పై అల్యూమినియం, 10 మిల్లీకెల్విన్కు చల్లబరిచినది — అదనపు శీతలీకరణ డ్రైవ్ గానీ, అదనపు సర్క్యూట్ భాగం గానీ అవసరం కాలేదు.
ఏడు పరిమాణ క్రమాలు
అనునాదాలకు దూరంగా, బిట్ ఫ్లిప్‌లు ఇంకా మిల్లీసెకన్లలోనే వచ్చాయి. వాటికి దగ్గరలో, రక్షణ ఆకాశాన్నంటింది:
- రీడౌట్ అనునాదం వద్ద 519 మిల్లీసెకన్లు (22.4 ఫోటాన్లు);
- రెండు అనునాదాల మధ్య 15.4 సెకన్లు (27.3 ఫోటాన్లు);
- ఫిల్టర్ అనునాదం వద్ద 100 సెకన్ల కొలత వ్యవధిలో నిల్వ చేసిన స్థితికి కొలవగలిగే క్షయం ఏదీ లేదు (33.8 ఫోటాన్లు), అంటే బిట్-ఫ్లిప్ సమయం 100 సెకన్లకు పైనే.
పదే పదే చేసిన రీడౌట్‌ల సుదీర్ఘ రికార్డులలో అరుదైన ఫ్లిప్‌లను లెక్కించడం ద్వారా — 15 గంటల్లో 62 ఫ్లిప్‌లు — బృందం ఆ చివరి బిందువు వద్ద బిట్-ఫ్లిప్ సమయాన్ని అంచనా వేసింది: 448 ± 57 సెకన్లు, ఇంతకు ముందరి కెర్ పిల్లుల కంటే ఐదు పరిమాణ క్రమాలకు పైగా ఎక్కువ.
ఫోటాన్ల సంఖ్యతో పాటు ఘాతాంకపరంగా తగ్గే బిట్ ఫ్లిప్‌లు కెర్ పిల్లులకు ఒక నిర్వచనాత్మక అంచనా (defining prediction), కానీ వాటిని ఇంతవరకు ఎప్పుడూ గమనించలేదు. ఇక్కడ అది కనిపించింది: అదనపు ప్రతి ఫోటాన్ బిట్-ఫ్లిప్ సమయాన్ని 1.82 ± 0.06 రెట్లు పెంచింది, 7.4 ఫోటాన్ల వద్ద 52 మైక్రోసెకన్ల నుంచి 33.8 వద్ద 448 సెకన్ల వరకు, దాదాపు ఏడు పరిమాణ క్రమాలు, సమతలమవుతున్న (levelling off) సూచన ఏదీ లేకుండా.
వేగవంతమైన గేట్లు, సున్నితమైన రీడౌట్
క్యూబిట్‌ను ఇక వాడలేకపోతే రక్షణ వల్ల ప్రయోజనం లేదు. చల్లబరిచిన క్యూబిట్ యొక్క ఒక ప్రాథమిక భ్రమణానికి (rotation) 8 నానోసెకన్లు పట్టింది, ఆ భ్రమణ డ్రైవ్‌ను మొత్తం సమయం ఆన్‌లో ఉంచినా బిట్-ఫ్లిప్ సమయం తగ్గలేదు (దానితో 0.65 s, అది లేకుండా 0.64 s). క్యూబిట్‌ను 4 మైక్రోసెకన్లలో చదవడం వల్ల కేవలం 10 మిలియన్ రీడౌట్‌లలో 5 సార్లు మాత్రమే ఫ్లిప్ జరిగింది.
మరో దోషం
మూల్యం ఫేజ్ ఫ్లిప్. ఇది ఒంటరి ఫోటాన్ల నష్టం నిర్ణయించే అంచనా పరిమితిని అనుసరిస్తుంది, దాదాపు T₁/(2n̄); ఇక్కడ T₁ సర్క్యూట్ ఫోటాన్ జీవితకాలం (దాదాపు 8 మైక్రోసెకన్లు), n̄ ఫోటాన్ల సంఖ్య. 24.2 ఫోటాన్ల వద్ద, పిల్లి బిట్ ఫ్లిప్‌లకు వ్యతిరేకంగా 3.55 సెకన్లు నిలిచింది, కానీ ఫేజ్ ఫ్లిప్‌లకు వ్యతిరేకంగా కేవలం 113 నానోసెకన్లు: దాదాపు 30 మిలియన్‌కు ఒకటి అనే పక్షపాతం (bias).
అంతరాన్ని తగ్గించడానికి రచయితలు రెండు మార్గాలను సూచిస్తున్నారు. 55.7 మైక్రోసెకన్ల ఫోటాన్ జీవితకాలాలు ఇప్పటికే వేరే చోట ప్రదర్శించబడ్డాయి, ఇక్కడి కంటే దాదాపు ఏడు రెట్లు ఎక్కువ. మరింత చల్లని సర్క్యూట్‌లు తక్కువ దారితప్పిన ఉత్తేజాలను మిగులుస్తాయి, బహుశా తక్కువ ఫోటాన్లతోనే అదే రక్షణను ఇస్తాయి — తద్వారా తక్కువ ఫేజ్ ఫ్లిప్‌లు.