Физики создали устойчивые к потерям кубиты на основе котов Шредингера. Они использовали сверхпроводниковую реализацию состояний для демонстрации их возможного применения. Статья опубликована в Nature.
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.
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.
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