Сверхток позволяет считывать квантовую информацию, не разрушая её
Одна из фундаментальных задач квантовых вычислений — получение информации из квантового бита (кубита). В отличие от обычного бита, который можно считывать многократно без изменения его содержимого, прямое измерение квантовой системы обычно приводит к коллапсу состояния до того, как его можно будет определить. Другими словами, считывание информации изменяет её. В данной работе предлагается обойти эту проблему, используя уникальное свойство определенного типа кубитов, называемых "андреевскими кубитами". Они генерируют осциллирующий электрический сверхток за счет собственной квантовой динамики, что будет служить макроскопическим индикатором состояния кубита, позволяя восстанавливать его практически неразрушающим способом. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review B.
Рис. Схема считывания данных с андреевского кубита без использования вспомогательных кубитов. В предлагаемом устройстве квантовая информация кубита проявляется в виде осциллирующего сверхтока, циркулирующего в большом сверхпроводящем контуре. Магнитный сигнал, генерируемый этим током, детектируется небольшой катушкой, соединенной с СКВИДом, что позволяет определить состояние кубита с минимальными возмущениями. Авторы: Маркус Эгес и Хосе Карлос Эгес, при содействии ChatGPT.
Любое состояние кубита может быть геометрически представлено точкой на так называемой «сфере Блоха». Каждая точка на поверхности этой сферы соответствует определенной суперпозиции основных состояний 0 и 1, а положение точки определяется двумя углами. Один угол указывает на долю, в которой состояния 0 и 1 вносят вклад в суперпозицию, а другой угол указывает на фазовое соотношение между ними. Следовательно, знание этих двух углов эквивалентно знанию состояния кубита.
Исследование показало, что эта информация закодирована в самом сверхтоке. Сверхток имеет постоянную и флуктуирующую составляющие. Значение постоянной составляющей и амплитуда колебаний показывают долю каждого состояния (0 и 1) в суперпозиции, а момент начала этих колебаний раскрывает фазовое соотношение между ними. Таким образом, измеряя, как ток изменяется со временем, можно восстановить начальное состояние кубита.
Однако у этого явления есть ещё один важный аспект. В сверхпроводящих системах такого типа для того, чтобы сверхток колебался, а не оставался постоянным во времени, обычно необходимо электрическое напряжение (эффект Джозефсона переменного тока). Однако в исследуемой системе ток может колебаться без приложения какого-либо внешнего напряжения. Данная система генерирует сверхток, который изменяется со временем, как переменный ток, но без напряжения. Именно эволюция состояния кубита вызывает эти колебания. Таким образом, ток представляет собой макроскопическое проявление микроскопической квантовой динамики системы. Именно этот мост между двумя масштабами исследователи используют для считывания кубита.
Андреевский кубит встроен в замкнутую сверхпроводящую цепь, по которой циркулирует вышеупомянутый сверхток. Рядом с этой цепью размещен СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор), инструмент, чрезвычайно чувствительный к слабым магнитным полям. При протекании сверхтока по цепи возникает магнитное поле, изменяющееся в зависимости от его величины. СКВИД-датчик обнаруживает эти изменения и использует их для определения характера течения тока. Такое поведение предоставляет информацию о состоянии кубита, что позволяет восстановить это состояние без прямого измерения.
В зависимости от количества рассматриваемых измерений, результаты моделирования показали точность 99,52%, 99,81% и 99,85%. Эти результаты находятся в пределах стандартных пороговых значений, принятых в схемах квантовой коррекции ошибок.
