Ett team från Dartmouth College och MIT har designat och genomfört det första labbtestet för att framgångsrikt upptäcka och karakterisera en klass av komplex, "icke-Gaussiska" brusprocesser som rutinmässigt påträffas i supraledande kvantberäkningssystem.

Karakteriseringen av icke-Gaussiskt brus i supraledande kvantbitar är ett kritiskt steg mot att göra dessa system mer exakta.

Den gemensamma studien, publicerad i Naturkommunikation , skulle kunna hjälpa till att påskynda realiseringen av kvantberäkningssystem. Experimentet var baserat på tidigare teoretisk forskning utförd i Dartmouth och publicerad i Fysiska granskningsbrev under 2016.

"Detta är det första konkreta steget mot att försöka karakterisera mer komplicerade typer av brusprocesser än vad som vanligtvis antas inom kvantdomänen, sa Lorenza Viola, en professor i fysik vid Dartmouth som ledde 2016 års studie samt teorikomponenten i detta arbete. "Eftersom qubit-koherensegenskaper ständigt förbättras, det är viktigt att detektera icke-Gaussiskt brus för att bygga så exakta kvantsystem som möjligt."

Kvantdatorer skiljer sig från traditionella datorer genom att gå bortom den binära "på-av"-sekvenseringen som gynnas av klassisk fysik. Kvantdatorer förlitar sig på kvantbitar – även kända som qubits – som är byggda av atomära och subatomära partiklar.

Väsentligen, Qubits kan placeras i en kombination av både "på" och "av" positioner samtidigt. De kan också vara "intrasslade, " vilket betyder att egenskaperna hos en qubit kan påverka en annan över ett avstånd.

Supraledande qubit-system anses vara en av de ledande utmanarna i kapplöpningen om att bygga skalbara, högpresterande kvantdatorer. Men, som andra qubit-plattformar, de är mycket känsliga för sin omgivning och kan påverkas av både externt buller och internt buller.

Externt brus i kvantberäkningssystem kan komma från styrelektronik eller strömagnetiska fält. Internt brus kan komma från andra okontrollerade kvantsystem, såsom materialföroreningar. Möjligheten att minska brus är ett stort fokus i utvecklingen av kvantdatorer.

"Den stora barriären som hindrar oss från att ha storskaliga kvantdatorer nu är detta brusproblem." sa Leigh Norris, en postdoktor vid Dartmouth som var medförfattare till studien. "Denna forskning flyttar oss mot att förstå bruset, vilket är ett steg mot att avbryta det, och förhoppningsvis ha en pålitlig kvantdator en dag."

Oönskat brus beskrivs ofta i termer av enkla "Gaussian" modeller, där sannolikhetsfördelningen av de slumpmässiga fluktuationerna av brus skapar en välbekant, klockformad gaussisk kurva. Icke-Gaussiskt brus är svårare att beskriva och upptäcka eftersom det faller utanför giltighetsintervallet för dessa antaganden och eftersom det helt enkelt kan finnas mindre av det.

Närhelst de statistiska egenskaperna för brus är Gaussiska, en liten mängd information kan användas för att karakterisera bruset — nämligen, korrelationerna vid endast två distinkta tidpunkter, eller motsvarande, i termer av en beskrivning av frekvensdomän, det så kallade "brusspektrumet".

Tack vare deras höga känslighet för den omgivande miljön, qubits kan användas som sensorer för sitt eget brus. Bygger på denna idé, forskare har gjort framsteg i att utveckla tekniker för att identifiera och reducera Gaussiskt brus i kvantsystem, liknande hur brusreducerande hörlurar fungerar.

Även om det inte är lika vanligt som Gaussiskt brus, att identifiera och avbryta icke-Gaussiskt brus är en lika viktig utmaning för att optimalt utforma kvantsystem.

Icke-Gaussiskt brus kännetecknas av mer komplicerade mönster av korrelationer som involverar flera tidpunkter. Som ett resultat, Det krävs mycket mer information om bullret för att det ska kunna identifieras.

I studien, forskare kunde approximera egenskaperna hos icke-Gaussiskt brus med hjälp av information om korrelationer vid tre olika tidpunkter, motsvarande det som kallas "bispektrum" i frekvensdomänen.

"Det här är första gången som en detaljerad, frekvensupplöst karakterisering av icke-Gaussiskt brus har kunnat göras i ett labb med qubits. Detta resultat utökar avsevärt verktygslådan som vi har tillgänglig för att göra exakt bruskarakterisering och därför skapa bättre och mer stabila qubits i kvantdatorer, sa Viola.

En kvantdator som inte kan känna av icke-Gaussiskt brus kan lätt förväxlas mellan den kvantsignal den ska bearbeta och oönskat brus i systemet. Protokoll för att uppnå icke-Gaussisk brusspektroskopi fanns inte förrän i Dartmouth-studien 2016.

Även om MIT-experimentet för att validera protokollet inte omedelbart kommer att göra storskaliga kvantdatorer praktiskt genomförbara, det är ett stort steg mot att göra dem mer exakta.

"Denna forskning började på den vita tavlan. Vi visste inte om någon skulle kunna omsätta den i praktiken, men trots betydande konceptuella och experimentella utmaningar, MIT-teamet gjorde det, sa Felix Beaudoin, en före detta postdoktorand i Dartmouth i Violas grupp som också spelade en avgörande roll för att överbrygga teori och experiment i studien.

"Det har varit en absolut fröjd att samarbeta med Lorenza Viola och hennes fantastiska teoriteam på Dartmouth, sa William Oliver, professor i fysik vid MIT. "Vi har arbetat tillsammans i flera år nu på flera projekt och, som kvantberäkningar övergår från vetenskaplig nyfikenhet till teknisk verklighet, Jag förutser behovet av mer sådant tvärvetenskapligt och interinstitutionellt samarbete."

Enligt forskargruppen, det krävs fortfarande år av extra arbete för att perfekta detekteringen och elimineringen av brus i kvantsystem. Särskilt, framtida forskning kommer att gå från ett ensensorsystem till ett tvåsensorsystem, möjliggör karakterisering av bruskorrelationer över olika qubits.