Utrzymywanie koherencji na potrzeby lepszych zastosowań informacji kwantowych
W związku z tym, że prawo Moore’a wkrótce przestanie być aktualne, wszystkie oczy zwrócone są w kierunku informatyki kwantowej. Niewiele do tego brakuje: architektury kwantowe, takie jak uwięzione jony, defekty barwowe w kryształach i atomach rydbergowskich są już dostępne i mogą być wykorzystywane do wdrażania zastosowań w zakresie informacji kwantowych. Z tej perspektywy zasada wygląda na prostą, przynajmniej na papierze – im dłużej można utrzymać koherencję kwantową, tym bogatsze i ciekawsze stają się zastosowania kwantowe. Innymi słowy, fizycy kwantowi potrzebują nowych podejść zapobiegających dekoherencji spowodowanej kanałami szumu, ubytku i rozpadu. Itsik Cohen zbadał w ramach projektu MQC sposoby utrzymywania tej koherencji i realizacji różnych zastosowań kwantowych. Stypendysta programu Maria Skłodowska-Curie zgodził się omówić z nami swoje podejście i ustalenia.
Pana praca skupia się na zagadnieniu koherencji kwantowej. Dlaczego jest to ważne w kontekście przyszłości informatyki kwantowej?
Itsik Cohen: W fizyce koherencja utrzymywana jest tak długo, jak długo fale zachowują swoją względną fazę, pozwalając w ten sposób na wystąpienie zjawiska interferencji. To samo odnosi się do koherencji kwantowej, która zachowywana jest, gdy superpozycja kwantowa (faza i amplituda) utrzymywane są na stałym poziomie. Informatyka kwantowa bazuje na koherencji kwantowej, bez zachowania której nie mogłaby działać. W rzeczywistości, w miarę wzrostu złożoności zastosowań kwantowych potrzebne jest wydłużenie czasu koherencji. W podobny sposób przy dłuższym czasie trwania koherencji obserwuje się wyższą wydajność i kwantową wierność działania, co jest niezwykle ważne zwłaszcza w przypadku informatyki kwantowej.
Jak osiągnąć taką koherencję?
Aby utrzymać koherencję, należy wyeliminować kanały szumu, ubytku i rozpadu, które stanowią główne źródła dekoherencji. Specjalnie w tym celu opracowano techniki przeorientowania, takie jak rozprzęganie dynamiczne i kwantowa korekcja błędów. Dziedzina rozprzęgania dynamicznego zrodziła się wraz z pomysłem Hahna, aby przeorientować niejednorodne poszerzenie w magnetycznym rezonansie jądrowym. Ten efekt został nazwany echem spinowym. Obecnie jest on stosowany w wielu dziedzinach fizyki, od układów atomowych po skondensowaną materię. Przełomy w tej dziedzinie dały nam możliwość inicjowania stanu kubitu, manipulowania nim i wykrywania go z niezwykle wysoką precyzją. Co więcej, umożliwiło to wydłużenie czasu trwania koherencji kubitów o wiele rzędów wielkości. Podejściem uzupełniającym do rozprzęgania dynamicznego impulsów jest podejście ciągłe: ciągłe pole rezonujące tworzy szczelinę energetyczną, która chroni przed powolnym widmem mocy źródła dekoherencji. Dziedzina kwantowej korekcji błędów zrodziła się natomiast wraz z powstaniem algorytmu pomiaru i sprzężenia zwrotnego zespołu Petera Shora. W algorytmie Shora pojedynczy kubit obliczeniowy opisany jest przez 9 rzeczywistych kubitów, a szum wykrywany jest poprzez pomiary, co pozwala na zachowanie podprzestrzeni kubitu w nienaruszonym stanie. Następnie można zastosować operacje sprzężenia zwrotnego i wyeliminować wpływ szumu. Należy pamiętać, że ponieważ protokoły QEC wymagają więcej zasobów, w ramach eksperymentów w miarę możliwości zaleca się stosowanie schematów rozprzęgania dynamicznego.
Co Pana zdaniem sprawia, że podejście zastosowane w tym projekcie jest szczególnie innowacyjne?
Wykorzystanie schematów przeorientowania w celu utrzymania koherencji kwantowej zależne jest od źródeł szumu, które różnią się między poszczególnymi platformami kwantowymi oraz konfiguracjami eksperymentalnymi. Nieprzemyślane zastosowanie tej interwencji ochronnej może również spowodować przeorientowanie i spisanie pożądanego zastosowania kwantowego na straty. Pokonanie tej trudności sprawia, że moje projekty są szczególnie innowacyjne, ponieważ aby uzyskać kompensację szumu przy jednoczesnej realizacji pożądanych zastosowań, trzeba wykazać się dużą kreatywnością.
Co zrobił Pan, aby rozwiązać problemy dotyczące platform komunikacji kwantowej?
W ramach poprzedniego projektu zaproponowaliśmy teoretyczny schemat rozkładu splątania w sieciach kwantowych. Przesyłając pojedynczy foton pomiędzy węzłami kwantowymi – każdy składający się z atomowego kubitu osadzonego w zagłębieniu – udaje nam się wygenerować pomiędzy atomami wielofunkcyjną kontrolną bramkę fazy. Jest to ważna, uniwersalna bramka, potrzebna do kwantowych protokołów wyszukiwania. Jedna z przeszkód napotkanych na etapie eksperymentów dotyczy utrzymania fazy optycznej fotonu z uwagi na wahania długości optycznej. Poradziliśmy sobie z tym problemem poprzez przesyłanie do sieci kwantowej wielu fotonów: w celu przeorientowania losowej fazy optycznej zastosowaliśmy impulsową wersję rozprzęgania dynamicznego. Niedawno, w ramach teoretyczno-eksperymentalnej współpracy z grupą z Instytutu Naukowego Weizmanna, kierowaną przez Ofera Firstenberga, dowiedliśmy, że w celu ochrony zbiorowego wzbudzenia ciepłych atomów przed zjawiskiem poszerzenia dopplerowskiego można zastosować ciągłe rozprzęganie dynamiczne. Kiedy foton (lub słaby impuls koherentny) pochłaniany jest przez parę atomową, to globalne wzbudzenie atomowe działa jak fala spinowa. Każdy atom posiada fazę zgodną z jego położeniem oraz pędem pochłoniętego fotonu. Ze względu na losowe wartości prędkości atomowych globalne wzbudzenie podlega dekoherencji dopplerowskiej, która powoduje zniszczenie pożądanej fazy atomowej. Aby temu zapobiec, wprowadzamy dodatkowy stan czujnika pomocniczego o czułości odwrotnej do tego samego mechanizmu dopplerowskiego. Zmyślnie doprowadzając do przejścia między stanem wznieconymi a czujnikowym, sprzęgamy je, uzyskując chroniony stan, który jest nieczuły na zjawisko szumu dopplerowskiego, przez co wydłuża się czas koherencji.
Jakie są, według Pana, najważniejsze dotąd rezultaty tych dwóch projektów i dlaczego?
Oba projekty mają duże znaczenie dla dziedziny informatyki kwantowej. Oba pozwalają na wiele dalszych zastosowań i mogą prowadzić do badań mogących wzbogacić naszą wiedzę. Jednak jako teoretyk uważam, że każda propozycja teoretyczna, która dojrzewa do realizacji eksperymentalnej, staje się w końcu ważniejsza od tych, które pomijają ten proces. Dlatego też sądzę, że współpraca eksperymentalno-teoretyczna w ramach drugiego projektu ma większe znaczenie. Przynajmniej na razie, dopóki pierwszy projekt nie zostanie zrealizowany eksperymentalnie.
Jaki wpływ na dziedzinę informatyki kwantowej mogą mieć na dłuższą metę Pana badania? Jakie zastosowania Pan przewiduje?
Atomy rydbergowskie stały się w ostatnim czasie interesującym kandydatem do zastosowania w roli platformy obliczeń kwantowych. Nasz schemat może posłużyć do ochrony przed dekoherencją dopplerowską, przy jednoczesnej skutecznej populacji stanów rydbergowskich, które są potrzebne do generowania interakcji pomiędzy różnymi atomami. Dlatego też jestem pewien, że nasz schemat przyda się w nadchodzących eksperymentach z zakresu obliczeń kwantowych przy użyciu atomów rydbergowskich. Skalowanie obliczeń kwantowych na dużej liczbie kubitów pozostaje jednym z głównych wyzwań związanych z przetwarzaniem informacji kwantowych. Wykorzystanie naszego schematu rozkładu splątania w sieciach kwantowych idzie w parze z koncepcją hierarchicznego komputera kwantowego, w której każdy węzeł kwantowy jest komputerem kwantowym o kilku kubitach. Jestem zatem przekonany, że mimo iż nasz schemat nie został jeszcze zweryfikowany w ramach eksperymentu, to w końcu się to stanie.
Czy może nam Pan powiedzieć więcej o swoich planach na przyszłość?
Istnieje wiele możliwości. Jedną z nich jest dalsze prowadzenie badań naukowych w dziedzinie technologii kwantowych. Z drugiej strony istnieje wiele firm spoza środowiska akademickiego, w których mógłbym się przyczynić do rozwoju prowadzonych badań. Nie podjąłem jeszcze decyzji.
Słowa kluczowe
MQC, informacje kwantowe, koherencja, dekoherencja, Doppler, splątanie