Физики предложили кодировать кубиты котами Шредингера ( 3 фото )

M. H. Devoret et al./ Nature, 2020

Физики создали устойчивые к потерям кубиты на основе котов Шредингера. Они использовали сверхпроводниковую реализацию состояний для

демонстрации их возможного применения. Статья опубликована в Nature Physics.

Квантовое состояние «кот Шредингера» (cat state) представляет собой суперпозицию когерентных (максимально близких к классическим) состояний с противоположными

фазами. Такие состояния хороши тем, что они устойчивы к потерям между

удаленными модами, поэтому их можно создавать в любых средах и с большими

амплитудами. Тем не менее, при работе с котами Шредингера (стоит отметить, что в оригинале это все таки была кошка, а не кот) возникают другие

сложности — необходимо делать их стабильными, а квантовые операции над ними должны проводиться очень быстро.

Группа ученых под руководством Мишеля Девoре (Michel Devoret) из Йельского университета предложила

использовать эти состояния для кодирования кубитов и показала их возможности с

помощью сверхпроводникового микроволнового резонатора.


Сфера Блоха для (a) состояний кошек Шредингера, (b) фоковских состояний, (c) распределение энергии в фазовом пространстве для (a) и (b), (d) фотография экспериментальной схемы, (e) схема «улитки», (f) фотография «улитки» с четырьмя Джозефсоновскими переходами

M. H. Devoret et al./ Nature, 2020

Состояния кубита удобнее всего изображать на сфере

Блоха, где каждая точка соответствует определенному состоянию. Аналогично

привычному фоковскому базису, когда используется 0 и 1 для описания состояния,

на сфере Блоха можно изобразить и состояния котов Шредингера. Тогда в крайних точках оси Х будут

располагаться когерентные состояния с разными фазами, а в противоположных

точках оси Z —

суперпозиции этих состояний с разными знаками. За сдвиг фазы между двумя

когерентными состояниям в суперпозиции отвечает ось Y. Самый распространенный вид шума в квантовой системе —

потеря фотона — никак не влияет на состояния в крайних точках оси X, но может

приводить к перевороту суперпозиционных состояний по оси Z.

Экспериментальная установка представляет собой сверхпроводниковую

схему, которую поместили в микроволновый 3D-резонатор. В отличие от стандартных схем,

для своего эксперимента ученые использовали сверхпроводниковый нелинейный асимметрический

элемент (SNAIL) похожий на улитку. Конфигурация установки позволяет управлять током в «улитке» и «сжимать»

состояния кубита при приложении внешнего поля. Такая система имеет два стабильных состояния, которыми

можно управлять с помощью «сжатия» и в пределе получать просто ангармонический

осциллятор (его как раз используют для «фоковских кубитов»).

Авторы исследовали влияние сжатости состояния на частоту

осцилляций Раби в системе. Они показали, что при больших амплитудах сжатия,

частота Раби начинает линейно зависеть от корня из амплитуды. Как и ожидалось, при

фиксированном сжатии состояния осцилляции имеют период π.


(a) последовательности импульсов в эксперименте, (b) зависимость частоты Раби от сжатия состояния, (c) частота Раби при разных фазах и временах, (d) срезы графика (c)

M. H. Devoret et al./ Nature, 2020

Чтобы показать возможность использования предложенной

схемы в квантовых вычислениях, ученые реализовали простейшие квантовые операции

на котах Шредингера. Для этого они меняли начальные состояния системы, пропускали

состояние через неизвестный квантовый вентиль и измеряли получившиеся состояние. Благодаря

таким измерениям можно определить, какому преобразованию подвергалась система. Величина, которая показывает, насколько экспериментальные данные совпадают с их теоретическим описанием называется степенью совпадения (fidelity). Оказалось,

что для набора однокубитных вентилей она составляет порядка 85 процентов. Авторы

предполагают, что большой вклад в различие между экспериментом и теорией вносят

ошибки при приготовлении и измерении состояния, с которыми они планируют

бороться в дальнейшем.

Помимо того, что предложенная схема позволяет реализовать

устойчивый к шумам квантовый вычислитель и может быть полезной во многих

областях квантовых технологий, она важна и с теоретической точки зрения в

исследовании фундаментальных квантовых эффектов в других системах.

Кроме сверхпроводников основой для создания и исследования котов Шредингера могут быть, например, оптические фотоны. Так, китайские ученые из Университета науки и

технологий создали кота Шредингера из десяти фотонов. А

российские физики научились делать котов «упитаннее».

Оксана Борзенкова