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I qubit cat compressi di Alice & Bob riducono le inversioni di bit di 160 volte
Uno studio pubblicato su Nature Communications riferisce che lo squeezing di un qubit cat ha portato il tempo misurato di inversione di bit da 138 millisecondi a 22 secondi, a parità di tempo di inversione di fase. Il gruppo di ricerca guid
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Lo squeezing di un qubit cat ne ha aumentato nettamente la resistenza alle inversioni di bit, ma il miglioramento ha un limite: l’esperimento mostra ancora un livello minimo di errori la cui origine è sconosciuta. In uno studio pubblicato il 22 ottobre su Nature Communications, ricercatori guidati da Alice & Bob riferiscono che il tempo di inversione di bit è aumentato di 160 volte, mentre quello misurato di inversione di fase è rimasto costante. Il risultato affronta un compromesso noto da tempo nei qubit cat: aumentare il numero di fotoni sopprime le inversioni di bit, ma fa crescere anche gli errori di inversione di fase.
Più protezione dalle inversioni di bit senza più fotoni
I qubit cat codificano le informazioni in due stati separati di un oscillatore a microonde. La separazione rende meno probabili le inversioni di bit, mentre la perdita e l’acquisizione di fotoni che causano le inversioni di fase aumentano con il numero medio di fotoni. Il gruppo ha invece modificato la forma degli stati mediante squeezing, riducendone la sovrapposizione senza ricorrere a una popolazione di fotoni più numerosa.
«Osserviamo una drastica riduzione degli errori di inversione di bit, con un miglioramento di 160 volte rispetto ai qubit cat standard», scrivono R. Rousseau e i coautori, tra le cui affiliazioni figurano Alice & Bob e diversi istituti di ricerca parigini. Lo studio chiama gli stati deformati «gatti lunari». Riferisce che il fattore di scala esponenziale misurato per la soppressione delle inversioni di bit è passato da 1,8 per i qubit cat standard a 4,3 al livello di squeezing più elevato tra quelli testati, superando il limite di 2 che lo studio cita per i qubit cat dissipativi standard.
22 secondi contro i 138 millisecondi del qubit cat standard
Nel confronto principale, il tempo di inversione di fase è mantenuto a 1,3 microsecondi per entrambi i dispositivi. Il qubit cat standard, con una media di 4,9 fotoni, aveva un tempo di inversione di bit di 138 millisecondi; il gatto lunare compresso, con 4,1 fotoni, ha raggiunto i 22 secondi. Il gruppo ha impostato il confronto a parità di tempo di inversione di fase, anziché di numero di fotoni, per mostrare il cambiamento nella protezione dalle inversioni di bit senza accettare un peggioramento del tempo di inversione di fase misurato.
I ricercatori hanno misurato il decadimento degli stati logici del qubit codificato dopo periodi di inattività. Poiché il tempo di inversione di bit del dispositivo compresso è nell’ordine dei secondi, hanno campionato i tempi di attesa in modo adattivo, usando un metodo bayesiano per concentrare le misurazioni sui tempi più informativi. Il lavoro amplia un risultato diffuso inizialmente come preprint ed è ora pubblicato sulla rivista con il titolo «Enhancing bosonic qubit protection by squeezing».
Un pompaggio modifica lo stato, non il progetto del circuito
L’esperimento usa un circuito superconduttore con un modo di memoria di alta qualità accoppiato, tramite un elemento non lineare, a un modo buffer di qualità inferiore. Diversi processi di pompaggio stabilizzano gli stati cat; un ulteriore pompaggio longitudinale fornisce l’interazione che li deforma. Secondo lo studio, l’aggiunta di questa interazione non ha richiesto modifiche al progetto del circuito rispetto alla configurazione standard del qubit cat.
Questo non significa che il pompaggio per lo squeezing sia privo di costi. Gli autori riferiscono che il tasso effettivo di inversione di fase aumenta con la deformazione, probabilmente a causa del riscaldamento o di processi indesiderati indotti dai pompaggî. Al livello di deformazione più elevato tra quelli testati, il tasso effettivo aumenta di un ulteriore fattore 1,4; eppure, il confronto a parità di tempo di inversione di fase mostra comunque il forte aumento del tempo di inversione di bit.
Il vantaggio si estende a un gate Z, ma con dei limiti
Lo studio testa anche un gate Z, che ruota lo stato codificato mentre una forte stabilizzazione mantiene confinati gli stati cat. Nei punti operativi confrontati, il gate ottimale del qubit cat compresso è 1,6 volte più veloce e ha una probabilità di inversione di fase inferiore di un fattore 1,5. Gli autori stimano un miglioramento di 220 volte della probabilità di inversione di bit durante il gate, dovuto alla combinazione di una maggiore protezione nei periodi di inattività, di un gate più breve e di una crescita degli errori meno marcata durante l’azionamento.
Un altro limite emerge a tassi di inversione di bit molto bassi: il gruppo osserva una saturazione al di sotto di 10 millihertz, che dipende poco dallo squeezing. Lo studio afferma che la causa non è nota e indica come possibile spiegazione gli impatti ionizzanti che perturbano la superconduttività. L’esperimento dimostra quindi una tecnica di protezione più efficace per un singolo qubit cat, ma lascia irrisolti sia l’origine di quel livello minimo di errori sia il passaggio a un’architettura a più qubit cat tollerante ai guasti.
Lo studio dichiara interessi finanziari per gli autori affiliati ad Alice & Bob e indica Zaki Leghtas come azionista; gli altri autori dichiarano di non avere conflitti di interesse. Il risultato quantitativo immediato è preciso: a parità di tempo di inversione di fase di 1,3 microsecondi, il tempo misurato di inversione di bit passa da 138 millisecondi a 22 secondi.