The Signal
Un team del NIST legge un qubit superconduttore con una fedeltà del 99,2% usando onde millimetriche
Un team guidato dal NIST ha misurato un transmon superconduttore con un risonatore a 34,7 GHz e ha riportato una fedeltà di lettura del 99,2% usando 109 fotoni nel risonatore. L’esperimento ha inoltre rilevato un’efficienza di misurazione d
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un qubit transmon superconduttore ha raggiunto una fedeltà di lettura del 99,2% quando i ricercatori lo hanno sondato con 109 fotoni in un risonatore operante a 34,7 GHz. Il risultato, pubblicato il 30 ottobre su Physical Review Letters, impiega una frequenza di lettura oltre dieci volte superiore alla frequenza di transizione del qubit, pari a 3,1 GHz. Il team guidato dal National Institute of Standards and Technology afferma che questa separazione sopprime le transizioni indotte dal segnale di pilotaggio che possono perturbare lo stato misurato.
Una cavità a 34,7 GHz accanto a un qubit a 3,1 GHz
La lettura convenzionale di un qubit superconduttore ne deduce lo stato da uno spostamento della frequenza del risonatore. Il segnale di pilotaggio usato per la misurazione può però a sua volta spingere il qubit in un altro stato, compromettendo il risultato. L’approccio del team mantiene il transmon nella sua consueta gamma di microonde, spostando il risonatore nella banda delle onde millimetriche e creando così un ampio divario di frequenza tra i due.
Nell’esperimento, un transmon è stato accoppiato al modo fondamentale di una cavità tridimensionale in alluminio. Il dispositivo si trovava a 10 millikelvin in un frigorifero a diluizione; la cavità e il qubit erano accoppiati a 1,3 GHz. Gli autori scrivono: «Con una differenza di frequenza così ampia tra cavità e qubit, ωr/ωq>10, siamo in grado di sopprimere le transizioni risonanti indesiderate tra stati indotte dal segnale di pilotaggio, consentendo l’uso di segnali intensi per la lettura del qubit». Akash V. Dixit, Zachary L. Parrott, Dennis Chunikhin, Trevyn F. Q. Larson, Bradley D. Hauer e John D. Teufel
109 fotoni, 780 nanosecondi, 99,2%
Per il test di lettura, i ricercatori hanno preparato il qubit nel suo stato fondamentale oppure nel primo stato eccitato e hanno raccolto il segnale riflesso per 780 nanosecondi. Hanno ripetuto la preparazione e la misurazione 50.000 volte. Con una media di 109 fotoni nel risonatore, il team ha misurato una fedeltà del 99,2% per ciascuno dei due stati.
Quel numero di fotoni si riferisce al risonatore di lettura durante la misurazione, non al test separato sulla potenza del segnale di pilotaggio. In quel test, il team non ha rilevato transizioni risonanti misurabili dallo stato fondamentale o dal primo stato eccitato del qubit per livelli del segnale fino a 100 fotoni. A circa 1.000 fotoni di pilotaggio, tuttavia, il transmon ha iniziato a entrare in una transizione dal regime quantistico a quello classico, in cui un segnale di pilotaggio intenso ne distribuisce la popolazione tra molti stati.
Alta fedeltà di assegnazione, bassa efficienza di misurazione
Il valore di fedeltà riportato nel titolo non significa che la catena di misurazione catturi quasi tutte le informazioni disponibili. L’articolo riporta un’efficienza di misurazione dell’1,74%, con 28 fotoni di rumore aggiunto dal sistema. Gli autori indicano un amplificatore a onde millimetriche limitato dal rumore quantistico come un modo per migliorare tale efficienza.
La distinzione è importante: l’esperimento dimostra un’assegnazione accurata dello stato nelle condizioni di prova adottate, mentre la bassa efficienza segnala che gran parte del segnale di misurazione si perde nel rumore della catena di lettura. I ricercatori indicano anche il decadimento del qubit, la durata della lettura, la preparazione dello stato e il ripristino come fattori che potrebbero influire sulla fedeltà. Secondo loro, ulteriori studi dovrebbero esaminare altre possibili forme di fuoriuscita dallo spazio computazionale, compresi gli effetti della diffusione anelastica dei fotoni di pilotaggio e della generazione di quasiparticelle.
Una dimostrazione su un singolo qubit, non il risultato di un processore
Lo studio stabilisce un metodo per leggere un transmon usando una cavità a frequenza molto più alta; non dimostra il funzionamento di un processore a più qubit né di un’architettura di lettura completa per un tale processore. Gli autori suggeriscono che separare le frequenze del qubit e del risonatore potrebbe anche ridurre le collisioni indesiderate con i processi parametrici usati per collegare i qubit. Le onde millimetriche potrebbero inoltre fungere da frequenza di interfaccia per sistemi che coinvolgono circuiti superconduttori, atomi di Rydberg o l’optomeccanica, ma l’articolo presenta queste possibilità come direzioni per lavori futuri.
Per ora, il benchmark misurato è specifico: una fedeltà del 99,2% con 109 fotoni nel risonatore durante una lettura di 780 nanosecondi, insieme a un’efficienza di misurazione dell’1,74%. Migliorare l’efficienza della catena di lettura a onde millimetriche resta una sfida ingegneristica aperta.