Mejorando el rendimiento de los divisores de haz en la computación cuántica

Las operaciones rápidas y precisas entre resonadores de microondas son clave para la computación cuántica y la simulación usando circuitos superconductores. Una manera efectiva de lograr estas operaciones es conectando resonadores con un convertidor no lineal y usando drives de RF para controlar procesos paramétricos. Sin embargo, hacer que estos procesos sean rápidos y de alta calidad es complicado. Drives fuertes pueden llevar a procesos no deseados y a una pérdida adicional de coherencia, lo que degrada el rendimiento.

#Principios Clave

Demostramos que al gestionar cuidadosamente las frecuencias de drive y el ruido ambiental, junto con usar las simetrías naturales del Hamiltoniano del convertidor, podemos reducir acciones no lineales no deseadas. Esto ayuda a prevenir la decoherencia inducida por el convertidor. Utilizamos un DC-SQUID de conducción diferencial como nuestro convertidor, que está acoplado a dos cavidades de microondas de alta calidad.

#Beamsplitter de Alta Coherencia

Al emplear este sistema, creamos un beamsplitter altamente coherente que permite intercambios rápidos entre las cavidades. La principal limitación es la pérdida de fotones únicos dentro de estas cavidades. Analizamos este beamsplitter en un área específica donde hay solo un fotón y mostramos que podemos identificar y seleccionar eventos de pérdida de fotones para lograr una fidelidad de puerta del beamsplitter de más del 99.98%. Este nivel de rendimiento es significativamente mejor que lo que se ha logrado anteriormente.

#Importancia en Física Cuántica

El control preciso de modos bosónicos de alta calidad es esencial para examinar varios fenómenos en la física de muchos cuerpos y la ciencia de la información cuántica. Un componente clave es una interacción programable de dos modos, donde podemos gestionar el acoplamiento entre diferentes modos. Esto es crucial para la computación cuántica de variables continuas y tiene aplicaciones directas en simulaciones de modelos cuánticos.

Implementar esta interacción en circuitos-QED ofrece muchas ventajas. Estos resonadores superconductores generalmente pierden coherencia principalmente a través de la pérdida de fotones únicos, un tipo de ruido que se ha utilizado de manera efectiva en varias demostraciones importantes.

#Desafíos en la Implementación

Aunque se desea un beamsplitter rápido y preciso que mantenga la larga vida de los resonadores superconductores sin introducir más decoherencia, lograr esto ha resultado complicado. Si tiene éxito, esta interacción permitiría mejores puertas lógicas entre qubits almacenados en los resonadores.

Al conectar resonadores superconductores lineales a través de un convertidor no lineal basado en uniones de Josephson, podemos implementar estas interacciones. Aplicar drives de RF al convertidor activa un beamsplitter entre modos ampliamente separados en el espacio de frecuencias, proporcionando un control significativo sobre las interacciones.

Sin embargo, controlar sistemas no lineales fuertemente impulsados puede ser complicado. El amplio ancho de banda del convertidor puede iniciar varios procesos no deseados que causan acoplamiento con modos menos estables, comprometiendo la fidelidad. El convertidor también puede enfrentar excitación incoherente debido a su decoherencia natural, lo que perjudica aún más la interacción del beamsplitter.

#Innovaciones en el Circuito

Un enfoque para abordar el problema de la no linealidad es diseñar convertidores de múltiples uniones con simetrías beneficiosas. Estas simetrías pueden inhibir muchos procesos no lineales que normalmente ocurrirían en circuitos más simples, como los transmons. En nuestro trabajo, usamos un circuito DC-SQUID simétrico, diseñado para entornos de alta calidad.

Para utilizar esta simetría de manera efectiva, el SQUID debe ser impulsado de manera puramente diferencial. Introducimos un mecanismo para aplicar este drive a través de un modo "buffer" separado. Esto nos permite ejecutar un beamsplitter rápido entre dos resonadores de Cavidad superconductor de alta calidad con una excitación inducida por drive mínima.

#Operaciones Rápidas y Coherentes

En nuestro diseño, la fidelidad del beamsplitter está limitada solo por la descomposición de fotones únicos en los resonadores, asegurando compatibilidad con los esquemas de codificación bosónica existentes. Comenzamos caracterizando la operación pulsada de nuestro beamsplitter usando fotones únicos en una configuración de microondas de qubit de doble riel.

Implementamos esto con una fidelidad media de la puerta de más del 99%, que se puede mejorar aún más detectando eventos de pérdida de fotones únicos. Este avance sienta las bases para configuraciones de computación cuántica basadas en qubits de doble riel y operaciones paramétricas más limpias.

#Diseño del Convertidor

El DC-SQUID simétrico consiste en dos modos distintos: un modo común (el acoplador) y un modo diferencial (el actuador). Podemos acoplar selectivamente al acoplador con dos modos bosónicos. Para impulsar el actuador sin excitar el acoplador, gestionamos cuidadosamente los campos eléctricos y magnéticos.

La información cuántica sensible se almacena en dos cavidades de alta calidad que interactúan con el acoplador. Esta interacción permite el beamsplitting paramétrico entre ellas.

En la práctica, observamos ciertas frecuencias que permiten el beamsplitting resonante. Cuando la diferencia de las frecuencias de drive coincide con la desintonización de la cavidad, logramos condiciones óptimas para un acoplamiento efectivo.

#Ingeniería del SQUID

Tomamos un enfoque cuidadoso para crear un Hamiltoniano de beamsplitter efectivo, aprovechando la simetría del circuito. El drive debe evitar excitar el modo común mientras mantiene una buena coherencia. Esta ingeniería cuidadosa conduce a un Hamiltoniano que es resistente a interacciones no deseadas.

El drive diferencial nos permite seleccionar frecuencias de drive lejos de procesos no protegidos que podrían limitar la fidelidad. Al combinar características seleccionadas de este diseño, podemos suprimir tanto acciones coherentes no deseadas como excitaciones adicionales causadas por la decoherencia.

#Realización Experimental

Nuestra configuración experimental consiste en un paquete de aluminio de alta pureza que alberga los modos de cavidad coaxial necesarios. Los modos de almacenamiento asociados con el SQUID están acoplados para medir el rendimiento del beamsplitter. Las intensidades de acoplamiento y las desintonizaciones de los modos están configuradas para optimizar el rendimiento basado en principios cuánticos establecidos.

Para activar y controlar la amplitud y fase de nuestro beamsplitter, utilizamos un drive de RF bicolorado en el actuador. Cuando las frecuencias de drive están correctamente ajustadas, podemos crear un Hamiltoniano de beamsplitter controlable que establece el escenario para interacciones de beamsplitting.

#Observaciones de los Experimentos

Calculamos la evolución Rabi impulsada efectiva relevante para nuestra configuración de qubit de doble riel, que implica monitorear las escalas de tiempo de descomposición y desfasamiento. Barrer las amplitudes de drive mientras medimos los resultados nos ayuda a entender la fidelidad del beamsplitter en detalle.

Los datos de estos experimentos muestran que no hay una relación directa entre la amplitud del drive y la excitación del acoplador, confirmando que nuestro diseño está gestionando bien el calentamiento no deseado. La tasa de calentamiento se mantiene bastante baja, indicando que estamos utilizando nuestro aparato de manera efectiva.

#Caracterización del Rendimiento del Beamsplitter

Determinamos la interacción del beamsplitter utilizando el subespacio de fotones únicos conjuntos de la cavidad. Comenzando con un solo fotón en una cavidad, aplicamos la interacción del beamsplitter y calculamos su fuerza para entender cómo evoluciona el sistema con el tiempo. La medición nos ayuda a establecer límites sobre la fidelidad y rendimiento esperados.

Al examinar el rendimiento del acoplador a lo largo de varias condiciones experimentales, encontramos una fidelidad del beamsplitter impresionante que supera los benchmarks anteriores.

#Benchmarking Aleatorio

Para evaluar rigurosamente la fidelidad de nuestro sistema, empleamos técnicas de benchmarking aleatorio. Este método nos permite evaluar cuán precisamente opera el qubit en presencia de ruido y otros factores que podrían degradar el rendimiento.

Analizamos varios conjuntos de datos bajo diferentes condiciones, asegurando que nuestras secuencias puedan mostrar qué tan bien se comportan las operaciones. Los datos recopilados indican la influencia significativa de las fuentes de ruido cuántico, destacando que el eslabón más débil en nuestra configuración aún gira en torno a la pérdida de fotones.

A medida que aplicamos diferentes protocolos de selección, vemos que detectar pérdidas puede mejorar significativamente el rendimiento promedio de la puerta. Este hallazgo subraya el valor de una detección de errores efectiva para mejorar la fidelidad del sistema.

#El Futuro de las Operaciones Cuánticas

Nuestros hallazgos demuestran la capacidad de los beamsplitters diseñados para mejorar significativamente el rendimiento de varias aplicaciones de computación cuántica. Las técnicas y principios aplicados también se pueden extender a diferentes configuraciones, como resonadores en chip o arquitecturas híbridas.

El desarrollo de este sistema abre avenidas para explorar otros tipos de interacciones y capacidades basadas en el marco actual. Esto incluye implementar modos adicionales de compresión y procesos similares que podrían beneficiarse del acoplador optimizado.

Mantener una alta fidelidad mientras se controlan las características operativas de los dispositivos es crucial para los avances futuros en este campo. Nuestro trabajo añade claridad al potencial camino por delante, enfatizando las compensaciones existentes mientras también señala soluciones viables para avanzar.

En resumen, la construcción de un beamsplitter basado en microondas y su caracterización detallada de rendimiento sientan las bases para futuras exploraciones en arquitecturas de qubits de doble riel. Las mejoras en fidelidad y coherencia serán vitales a medida que continuemos empujando los límites de la tecnología de computación cuántica.