DAKİKALARCA YERİNDEN KIPIRDAMAYAN BİR KUANTUM KEDİSİ

Bir kuantum bilgisayar ancak kendi hatalarını düzeltebilirse faydalı olacaktır. Bu, çok fazla donanıma mal olur — hatalar dengesiz değilse. Bir tür hata neredeyse hiç gerçekleşmiyorsa, düzeltme kodunun yalnızca diğer türle savaşması gerekir ve kod çok daha basit olabilir.

Kedi kübitleri denen kübitler dengesiz olacak şekilde tasarlanır. Bilgiyi, bir mikrodalga alanı tutan süperiletken bir devrede, o alanın iki zıt salınımı olarak saklarlar. Bir 0’ı 1’e çevirmek — bir bit çevirme (bit flip) — bir salınımdan diğerine atlamak demektir. Alandaki foton sayısı arttıkça iki durum birbirinden uzaklaşır: bit çevirmeleri foton sayısıyla üstel olarak daha seyrek hale gelirken, diğer hata, yani faz çevirme (phase flip), yalnızca orantılı olarak artar.

İki vadi, bir zayıf nokta

Bir kediyi yerinde tutmanın iki yolu var. “Dissipatif” kediler, kayıplı bir eş tarafından sürekli olarak iki durumlarına doğru geri itilir; bunlar şimdiden 100 saniyeden fazla dayanıyor. “Kerr” kedileri ise doğrusal olmayan bir devrenin sürülmesiyle oluşturulan, bir bariyerle ayrılmış iki vadili bir enerji manzarasında durur. Avantajları hızlı kontroldür. Zayıflıkları: yalnızca milisaniyeler sonra gelen bit çevirmeleri — yakın tarihli bir iyileştirme 3,6 ms’ye ulaştı, ama bu hâlâ beş büyüklük mertebesi geride.

Bunun nedeni, başıboş enerjiyi hiçbir şeyin dışarı atmamasıdır. Gürültü kediyi vadisinin içindeki uyarılmış durumlara iter ve oradan diğer vadiye kaymak çok daha kolay hale gelir. Daha da kötüsü, güçlü sürmede kübit genellikle okuma devresiyle rezonanslara girer ve bu rezonanslar korumayı ciddi biçimde bozar.

Bir tahliye kanalı olarak okuma devresi

İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsü’nden Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov ve meslektaşları bu sorunu tersine çevirdi. İki vadiyi kazan aynı doğrusal olmayan etkileşim, her vadinin içindeki uyarılmaları okuma rezonatörüne de bağlar; okuma rezonatörü, ölçüm hattına sürekli foton sızdıran bir devredir.

Bir uyarılmanın enerjisi, sürme sinyali ile okuma rezonatörü arasındaki farka eşit olduğunda — “otoparametrik” bir rezonans — uyarılma bir okuma fotonu olarak aktarılır ve bu foton kaçar. 0 ya da 1’in kendisine dokunulmaz. İkinci bir tahliye kanalı, çıkış hattında bulunan filtre üzerinden ortaya çıkar.

Ekip bunu doğrudan ölçtü: rezonansta, ilk uyarılmış durum okuma devresinin izin verdiği kadar hızlı boşalıyor, daha yüksek durumlar ise bir çağlayan halinde boşalıyor. Ekibin çipi — silisyum üzerinde alüminyum, 10 milikelvine soğutulmuş — ne ek bir soğutma sinyaline ne de ek bir devre elemanına ihtiyaç duydu.

Yedi büyüklük mertebesi

Rezonanslardan uzakta, bit çevirmeleri hâlâ milisaniyeler içinde geliyordu. Rezonansların yakınında ise koruma birden yükseldi:

okuma rezonansında 519 milisaniye (22,4 foton);
iki rezonansın arasında 15,4 saniye (27,3 foton);
filtre rezonansında, 100 saniyelik bir ölçüm penceresi içinde saklanan durumda ölçülebilir bir bozunma yok (33,8 foton); bu, 100 saniyeden uzun bir bit çevirme süresi anlamına geliyor.

Tekrarlanan okumaların uzun kayıtlarında seyrek çevirmeleri sayarak — 15 saatte 62 çevirme — ekip bu son noktadaki bit çevirme süresini tahmin etti: 448 ± 57 saniye; bu, önceki Kerr kedilerinin beş büyüklük mertebesinden fazla ötesinde.

Foton sayısıyla üstel olarak azalan bit çevirmeleri, Kerr kedilerinin tanımlayıcı bir öngörüsüdür, ama hiç gözlemlenmemişti. Burada gözlemlendi: her ek foton bit çevirme süresini 1,82 ± 0,06 ile çarptı; 7,4 fotonda 52 mikrosaniyeden başlayarak 33,8 fotonda 448 saniyeye kadar, yaklaşık yedi büyüklük mertebesi, hem de düzleşmeye dair hiçbir işaret olmadan.

Hızlı kapılar, nazik okuma

Kübit artık kullanılamıyorsa koruma hiçbir işe yaramaz. Soğutulmuş kübitin temel bir döndürmesi 8 nanosaniye sürdü ve bu döndürme sinyalini baştan sona açık bırakmak bit çevirme süresini kısaltmadı (sinyalle 0,65 s, sinyalsiz 0,64 s). Kübiti 4 mikrosaniyede okumak, okumaların yalnızca 10 milyonda 5’inde bir çevirmeye yol açtı.

Diğer hata

Bedeli faz çevirmesidir. Bu hata, tek fotonların kaybıyla belirlenen beklenen sınırı izliyor: yaklaşık T₁/(2n̄); burada T₁ devrenin foton ömrü (yaklaşık 8 mikrosaniye), n̄ ise foton sayısıdır. 24,2 fotonda kedi bit çevirmelerine karşı 3,55 saniye dayandı, ama faz çevirmelerine karşı yalnızca 113 nanosaniye: yaklaşık 30 milyona bir oranında bir dengesizlik.

Yazarlar aradaki farkı kapatmanın iki yoluna işaret ediyor. 55,7 mikrosaniyelik foton ömürleri başka yerlerde zaten gösterildi; bu, buradakinin yaklaşık yedi katı. Ve daha soğuk devreler daha az başıboş uyarılma bırakarak aynı korumayı belki daha az fotonla — dolayısıyla daha az faz çevirmesiyle — sağlayabilir.