Oamenii de știință au dezvăluit o metodă de mare viteză care urmărește fluctuațiile bruște de performanță ale qubit-ilor în timp real - un lucru care era imposibil înainte. Descoperirea arată că chiar și qubit-ii stabili se pot degrada în milisecunde, o perspectivă cheie pentru construirea computerelor cuantice fiabile.
Cercetătorii de la Institutul Niels Bohr au crescut semnificativ viteza cu care pot fi detectate modificările stărilor cuantice delicate în interiorul unui qubit. Prin combinarea hardware-ului disponibil comercial cu noi tehnici de măsurare adaptative, echipa poate observa acum schimbări rapide în comportamentul qubit-ului care anterior erau imposibil de văzut.
Qubit-ii sunt unitățile fundamentale ale computerelor cuantice, despre care oamenii de știință speră că vor depăși într-o zi cele mai puternice mașini de astăzi. Dar qubit-ii sunt extrem de sensibili. Materialele folosite pentru a le construi conțin adesea defecte minuscule pe care oamenii de știință încă nu le înțeleg pe deplin. Aceste imperfecțiuni microscopice se pot schimba de sute de ori pe secundă. Pe măsură ce se mișcă, modifică viteza cu care un qubit pierde energie și, odată cu ea, informații cuantice valoroase.
Până de curând, metodele standard de testare durau până la un minut pentru a măsura performanța qubit-ului. Era mult prea lent pentru a surprinde aceste fluctuații rapide. În schimb, cercetătorii puteau determina doar o rată medie de pierdere a energiei, mascând comportamentul adevărat și adesea instabil al qubit-ului. Este oarecum ca și cum ai cere unui cal de tracțiune puternic să tragă un plug în timp ce obstacole apar constant în calea sa mai repede decât poate reacționa oricine. Animalul poate fi capabil, dar perturbările imprevizibile fac munca mult mai dificilă.
O echipă de cercetare de la Centrul pentru Dispozitive Cuantice al Institutului Niels Bohr și Programul de Calcul Cuantic al Fundației Novo Nordisk, condusă de cercetătorul postdoctoral Dr. Fabrizio Berritta, a dezvoltat un sistem de măsurare adaptativă în timp real care urmărește modificările ratei de pierdere a energiei qubit-ului (relaxare) pe măsură ce apar. Proiectul a implicat colaborarea cu oameni de știință de la Universitatea Norvegiană de Știință și Tehnologie, Universitatea Leiden și Universitatea Chalmers.
Noua abordare se bazează pe un controler clasic rapid care își actualizează estimarea ratei de relaxare a unui qubit în câteva milisecunde. Aceasta corespunde vitezei naturale a fluctuațiilor în sine, mai degrabă decât să rămână în urmă cu secunde sau minute, așa cum făceau metodele mai vechi.
Pentru a realiza acest lucru, echipa a folosit un Field Programmable Gate Array (FPGA), un tip de procesor clasic conceput pentru operațiuni extrem de rapide. Prin rularea experimentului direct pe FPGA, ei au putut genera rapid o „cea mai bună presupunere” despre cât de repede pierdea qubit-ul energie folosind doar câteva măsurători. Acest lucru a eliminat necesitatea transferurilor de date mai lente către un computer convențional.
Programarea FPGA-urilor pentru astfel de sarcini specializate poate fi dificilă. Chiar și așa, cercetătorii au reușit să actualizeze modelul Bayesian intern al controlerului după fiecare măsurătoare qubit. Acest lucru a permis sistemului să-și rafineze continuu înțelegerea stării qubit-ului în timp real. Drept urmare, controlerul ține acum pasul cu mediul în schimbare al qubit-ului. Măsurătorile și ajustările se întâmplă aproape pe aceeași scară de timp cu fluctuațiile în sine, făcând sistemul de aproximativ o sută de ori mai rapid decât s-a demonstrat anterior.
Lucrarea a dezvăluit, de asemenea, ceva nou. Oamenii de știință nu știau anterior cât de repede apar fluctuațiile în qubit-ii supraconductori. Aceste experimente au oferit acum această perspectivă.
FPGA-urile au fost mult timp folosite în alte domenii științifice și de inginerie. În acest caz, cercetătorii au folosit un controler bazat pe FPGA disponibil comercial de la Quantum Machines, numit OPX1000. Sistemul poate fi programat într-un limbaj similar cu Python, pe care mulți fizicieni îl folosesc deja, făcându-l mai accesibil grupurilor de cercetare din întreaga lume. Integrarea acestui controler cu hardware-ul cuantic avansat a fost posibilă printr-o colaborare strânsă între grupul de cercetare al Institutului Niels Bohr, condus de profesorul asociat Morten Kjaergaard, și Universitatea Chalmers, unde a fost proiectată și fabricată unitatea de procesare cuantică. „Controlerul permite o integrare foarte strânsă între logică, măsurători și feedforward: aceste componente au făcut posibil experimentul nostru”, spune Morten Kjærgaard.
Tehnologiile cuantice promit noi capacități puternice, deși computerele cuantice practice la scară largă sunt încă în dezvoltare. Progresul vine adesea incremental, dar ocazional apar pași importanți înainte. Prin descoperirea acestor dinamici ascunse anterior, descoperirile remodelează modul în care oamenii de știință se gândesc la testarea și calibrarea procesoarelor cuantice supraconductoare. Cu materialele și metodele de fabricație actuale, trecerea la monitorizarea și ajustarea în timp real pare esențială pentru îmbunătățirea fiabilității. Rezultatele evidențiază, de asemenea, importanța parteneriatelor dintre cercetarea academică și industrie, împreună cu utilizările creative ale tehnologiei disponibile.
„În prezent, în unitățile de procesare cuantică în general, performanța generală nu este determinată de cei mai buni qubit-i, ci de cei mai slabi: pe aceia trebuie să ne concentrăm. Surpriza din munca noastră este că un qubit „bun” se poate transforma într-unul „rău” în fracțiuni de secundă, mai degrabă decât în minute sau ore. „Cu algoritmul nostru, hardware-ul de control rapid poate identifica care qubit este „bun” sau „rău” practic în timp real. De asemenea, putem colecta statistici utile despre qubit-ii „răi” în câteva secunde, în loc de ore sau zile. „Încă nu putem explica o mare parte din fluctuațiile pe care le observăm. Înțelegerea și controlul fizicii din spatele unor astfel de fluctuații în proprietățile qubit-ului vor fi necesare pentru scalarea procesoarelor cuantice la o dimensiune utilă”, spune Fabrizio.