Valós időben figyelik a qubitek „hangulatváltozásait” – új mérési áttörés a kvantumszámítógépek felé

Az új eljárás megmutatta: még a stabilnak hitt qubitek is képesek néhány ezredmásodperc alatt jelentősen leromlani.

A kvantumbitek rendkívül érzékenyek a környezetükre. A felhasznált anyagokban található mikroszkopikus hibák folyamatosan mozognak, és ezzel gyorsan megváltoztatják azt, hogy a qubit milyen ütemben veszti el az energiáját – vagyis a benne tárolt kvantuminformációt.

Miért volt eddig „láthatatlan” a probléma?

A korábbi mérési technikák akár egy percig is elemezték egy qubit viselkedését. Ez túl lassúnak bizonyult ahhoz, hogy a másodperc tört része alatt bekövetkező változásokat észleljék. A kutatók így csupán egyfajta átlagos állapotot láttak, miközben a qubit valójában folyamatosan és kiszámíthatatlanul ingadozott.

Ez jelentős akadály a megbízható kvantumszámítógépek fejlesztésében, ahol a leggyengébben működő qubit is leronthatja az egész rendszer teljesítményét.

FPGA-alapú, adaptív vezérlés

Az áttörést a Niels Bohr Intézet Center for Quantum Devices kutatócsoportja és a Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme együttműködésében érték el. A projektet Fabrizio Berritta vezette.

A kutatók egy rendkívül gyors klasszikus vezérlőt építettek be a kísérletbe, amely milliszekundumonként frissíti a qubit energiavesztési rátájára vonatkozó becslést. A rendszer egy úgynevezett FPGA-alapú processzorra épül, amely lehetővé teszi, hogy az adatfeldolgozás közvetlenül a mérés helyén történjen, külső számítógép bevonása nélkül.

A vezérlő minden egyes mérés után frissíti a saját – Bayes-alapú – modelljét, így a qubit állapotáról folyamatos, valós idejű képet alkot.

Százszoros gyorsulás és új felismerések

Az új módszer közel százszor gyorsabb, mint a korábban alkalmazott eljárások. Ennek köszönhetően a kutatók most először tudták megfigyelni, milyen gyorsan zajlanak az ingadozások szupravezető qubitekben.

A munkában több európai egyetem is részt vett, köztük a Norwegian University of Science and Technology, a Leiden University és a Chalmers University of Technology.

Kereskedelmi vezérlő és kutatólabor egy rendszerben

A kísérletekhez a kutatók a Quantum Machines egyik kereskedelmi forgalomban elérhető FPGA-alapú vezérlőjét használták. A kvantumprocesszort a Chalmers Egyetemen tervezték és gyártották, a kísérleti integrációt pedig a Morten Kjærgaard vezette csoport végezte.

A kutatók szerint a gyors visszacsatolás és a mérési adatok azonnali feldolgozása nélkül ez a kísérlet nem valósulhatott volna meg.

Miért kulcsfontosságú a valós idejű kalibráció?

A kutatás egyik legfontosabb tanulsága, hogy a kvantumprocesszorok teljesítményét nem a legjobb qubitek, hanem a legrosszabbul működők határozzák meg. A most bemutatott rendszer képes gyakorlatilag azonnal azonosítani, mely qubit viselkedik „jól”, és melyik romlik le.

A meglepetést az okozta, hogy egy addig jó minőségű qubit akár a másodperc tört része alatt is rossz állapotba kerülhet – nem pedig percek vagy órák alatt, ahogyan azt korábban feltételezték.

A kutatók ugyanakkor hangsúlyozzák: az észlelt ingadozások jelentős részének fizikai oka továbbra is ismeretlen. E jelenségek megértése és szabályozása nélkülözhetetlen lesz ahhoz, hogy a jövőben valóban nagy méretű, megbízható kvantumszámítógépek épülhessenek.