Sådan forbedres kvantebits’ ydeevne: superhurtig fluktuationsdetektion opnået på NBI

Arbejdshesten i enhver kvantebaseret applikation, der sigter mod den eftertragtede, men endnu ikke fuldt realiserede kvantecomputer, er kvantebitten, eller ”qubitten”. Det er dog en ret skrøbelig arbejdshest. Qubits og kvanteprocessorer er generelt meget følsomme over for deres omgivelser. De materialer, de er indlejret i, indeholder typisk mikroskopiske defekter, som vi stadig ikke forstår fuldt ud.

Indtil nu almindelige karakteriseringsrutiner, som kan tage op til et minut, simpelthen ikke kunnet "fange" disse hurtige fluktuationer. Derfor kunne forskerne tidligere kun måle et gennemsnitligt energitab, hvilket ofte gav et ufuldstændigt billede af qubits sande ydeevne.

Det er egentlig lidt uretfærdigt - man har en betroet arbejdshest, der forsøger at trække ploven gennem marken, og så spreder man grene og sten på dens vej med en ekstrem hastighed, langt hurtigere end en bondemand kan styre arbejdshesten udenom.

Hurtig estimering har ført til effektiv registrering af fluktuationer

Nu har et hold forskere på Niels Bohr Institutet ved Center for Quantum Devices og Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme under ledelse af Dr. Fabrizio Berritta, postdoc, implementeret en adaptiv målemetode i realtid, der sporer fluktuationerne i qubit-energitabet (engelsk: relaxation), mens de sker. Arbejdet er en del af et internationalt samarbejde med forskere fra Norges Teknisk-Naturvidenskabelige Universitet, Leiden Universitet og Chalmers Universitet.

Ved hjælp af en hurtig klassisk controller har holdet bag resultatet implementeret en algoritme som løbende opdaterer sit estimat af qubit'ens energitabshastighed, på blot få millisekunder, tæt på fluktuationernes egen intrinsiske tidsskala. Før dette resultat tog det typiske flere sekunder eller minutter før man kunne estimere en qubits energitabshastighed.

Holdet opnåede disse hastigheder ved at bruge en særlig controller, en såkaldt ”Field Programmable Gate Array” (FPGA), en særlig form for klassisk processor som er enormt hurtig. Ved at udføre deres eksperiment på FPGA’en, som opbygge et ”best guess” på hvor hurtigt qubit’en ville tabe sine energi, baseret på meget få målinger, uden at skulle ty til ”langsomme” rundture til en almindelig computer.

Med FPGA’ens hastighed kommer dog det problem at de kan være enormt komplekse at programmere til bestemte opgaver. Men det er lykkedes Fabrizio og resten af holdet at få den klassiske controller til at opdatere sin interne "viden" (en såkaldt bayesiansk model) om omgivelsernes tilstand med hver eneste qubit-måling og dermed styre hvordan man hurtigst muligt kunne lære om qubit’ens tilstand. Så tidsskalaen på den FPGA-drevne controller og qubit'ens miljø er nu omtrent den samme - og detektioner sker i overensstemmelse hermed - hundrede gange hurtigere, end det nogensinde er blevet gjort før.

Ovenikøbet var det tidligere ukendt, hvor hurtigt udsvingene faktisk sker i superledende qubits. Det ved vi nu, takket være Fabrizios arbejde på NBI.

FPGA-enhed - tilgængelig og brugbar

FPGA'er har eksisteret i et stykke tid og har fundet anvendelse inden for andre videnskabelige områder. Men den kommercielt tilgængelige controller med FPGA, der anvendes her, leveret af Quantum Machines, den såkaldte OPX1000, har vist bemærkelsesværdige resultater - den er programmerbar i et kodesprog, der kan sammenlignes med Python, hvilket er det kodesoftware, der typisk anvendes af fysikere, og den er derfor letanvendelig for fysikere over hele verden.

Når avanceret kvante- og kontrolhardware mødes

Brugen af den FPGA-drevne controller fra Quantum Machines på state-of-the-art kvantehardware er resultatet af et tæt samarbejde mellem forskningsgruppen på Niels Bohr Institutet, ledet af lektor Morten Kjaergaard, og Chalmers Universitet, hvor kvantechippen blev designet og fremstillet.

"Controlleren muliggør en meget tæt integration mellem logik, målinger og feedforward: disse komponenter gjorde vores eksperiment muligt", siger Morten Kjærgaard.

Kvanteteknologi i en større sammenhæng

Løfterne om kvanteteknologier er mange. Men historien har været, og er i nogle tilfælde stadig, en fortælling om mange fugle på taget og det lejlighedsvise besøg af nogle af dem i vores hænder. Men der sker hele tiden fremskridt, og nogle gange sker det i spring.

Ved at afsløre denne tidligere utilgængelige dynamik omdefinerer disse resultater de tidsskalaer, der er relevante for karakterisering og kalibrering af superledende kvanteprocessorer. Med nutidens materialer og fremstillingsteknikker ser det ud til at være et vigtigt skridt fremad at gå over til kalibrering og overvågning i realtid. De nuværende fremskridt her viser værdien af samarbejde mellem forskning og industri og den innovative brug af utraditionelle midler.

"I dag bestemmes den samlede ydeevne i kvanteprocessorenheder generelt ikke af de bedste qubits, men af de dårligste: Det er dem, vi skal fokusere på. Det overraskende ved vores arbejde er, at en 'god' qubit kan blive til en 'dårlig' på brøkdele af et sekund i stedet for minutter eller timer.

Med vores algoritme kan den hurtige kontrolhardware finde ud af, hvilken qubit der er 'god' eller 'dårlig', stort set i realtid.  Vi kan også indsamle nyttige statistikker om de 'dårlige' qubits på sekunder i stedet for timer eller dage.

Vi kan dog stadig ikke forklare en stor del af de udsving, vi observerer. At forstå og kontrollere fysikken bag sådanne fluktuationer i qubit-egenskaber vil være nødvendigt for at kunne skalere kvanteprocessorer til en brugbar størrelse", siger Fabrizio.

Resultatet er nu offentliggjort i Physical Review X: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/gk1b-stl3