Jedem Quantensystem ist ein gewisses Maß an Rauschen inhärent. Wenn Forscher beispielsweise Informationen von einem Quantencomputer lesen möchten, der quantenmechanische Phänomene nutzt, um bestimmte Probleme zu lösen, die für klassische Computer zu komplex sind, führt dieselbe Quantenmechanik auch zu einem Mindestmaß an unvermeidbaren Fehlern, die die Genauigkeit der Messungen einschränken.
Wissenschaftler können diese Einschränkung effektiv umgehen, indem sie „parametrische“ Verstärkung verwenden, um das Rauschen zu „quetschen“ – ein Quantenphänomen, das das Rauschen verringert, das eine Variable beeinflusst, während das Rauschen erhöht wird, das seinen konjugierten Partner beeinflusst. Während die Gesamtmenge an Rauschen gleich bleibt, wird es effektiv umverteilt. Forscher können dann genauere Messungen durchführen, indem sie nur die Variable mit dem geringeren Rauschen betrachten.
Ein Forscherteam vom MIT und anderswo hat jetzt einen neuen supraleitenden parametrischen Verstärker entwickelt, der mit der Verstärkung früherer Schmalband-Squeezer arbeitet und gleichzeitig Quanten-Squeeze über viel größere Bandbreiten erreicht. Ihre Arbeit demonstriert erstmals das Quetschen über eine breite Frequenzbandbreite von bis zu 1,75 Gigahertz bei gleichzeitig hohem Quetschgrad (selektive Rauschunterdrückung). Im Vergleich dazu erreichten frühere parametrische Mikrowellenverstärker im Allgemeinen Bandbreiten von nur 100 Megahertz oder weniger.
Dieses neue Breitbandgerät könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, Quanteninformationen viel effizienter auszulesen, was zu schnelleren und genaueren Quantensystemen führt. Durch die Reduzierung von Messfehlern könnte diese Architektur in Multiqubit-Systemen oder anderen messtechnischen Anwendungen eingesetzt werden, die extreme Präzision erfordern.
„Da das Gebiet des Quantencomputings wächst und die Anzahl der Qubits in diesen Systemen auf Tausende oder mehr ansteigt, werden wir eine Breitbandverstärkung benötigen. Mit unserer Architektur könnten Sie mit nur einem Verstärker theoretisch Tausende von Qubits gleichzeitig auslesen. “, sagt Jack Qiu, Doktorand der Elektrotechnik und Informatik, Mitglied der Engineering Quantum Systems Group und Hauptautor des Artikels, in dem dieser Fortschritt detailliert beschrieben wird.
Die leitenden Autoren sind William D. Oliver, der Henry-Ellis-Warren-Professor für Elektrotechnik und Informatik und Physik, Direktor des Center for Quantum Engineering und stellvertretender Direktor des Research Laboratory of Electronics; und Kevin P. O’Brien, Emanuel E. Landsman Career Development Professor für Elektrotechnik und Informatik. Das Papier erscheint in Naturphysik.
Quetschrauschen unterhalb der Standardquantengrenze
Supraleitende Quantenschaltkreise, wie Quantenbits oder „Qubits“, verarbeiten und übertragen Informationen in Quantensystemen. Diese Informationen werden von elektromagnetischen Mikrowellensignalen getragen, die Photonen umfassen. Diese Signale können jedoch extrem schwach sein, daher verwenden Forscher Verstärker, um den Signalpegel so zu verstärken, dass saubere Messungen durchgeführt werden können.
Eine Quanteneigenschaft, die als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt ist, erfordert jedoch, dass während des Verstärkungsprozesses eine minimale Menge an Rauschen hinzugefügt wird, was zu der „Standard-Quantengrenze“ des Hintergrundrauschens führt. Ein spezielles Gerät, das als parametrischer Josephson-Verstärker bezeichnet wird, kann jedoch das hinzugefügte Rauschen reduzieren, indem es es unter die Grundgrenze „quetscht“, indem es es effektiv an anderer Stelle neu verteilt.
In den konjugierten Variablen werden Quanteninformationen dargestellt, beispielsweise Amplitude und Phase elektromagnetischer Wellen. In vielen Fällen müssen Forscher jedoch nur eine dieser Variablen – die Amplitude oder die Phase – messen, um den Quantenzustand des Systems zu bestimmen. In diesen Fällen können sie das Rauschen „quetschen“, indem sie es für eine Variable, sagen wir, die Amplitude, senken, während sie es für die andere, in diesem Fall die Phase, anheben. Das Gesamtrauschen bleibt aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation gleich, aber seine Verteilung kann so geformt werden, dass weniger verrauschte Messungen an einer der Variablen möglich sind.
Ein herkömmlicher parametrischer Josephson-Verstärker ist resonatorbasiert: Er ist wie eine Echokammer mit einem supraleitenden nichtlinearen Element namens Josephson-Kontakt in der Mitte. Photonen treten in die Echokammer ein und prallen herum, um mehrmals mit demselben Josephson-Kontakt zu interagieren. In dieser Umgebung wird die System-Nichtlinearität – realisiert durch den Josephson-Kontakt – verstärkt und führt zu parametrischer Verstärkung und Quetschung. Da die Photonen jedoch viele Male denselben Josephson-Kontakt durchlaufen, bevor sie ihn verlassen, wird der Kontakt belastet. Infolgedessen sind sowohl die Bandbreite als auch das maximale Signal, das der resonatorbasierte Verstärker aufnehmen kann, begrenzt.
Die MIT-Forscher verfolgten einen anderen Ansatz. Anstatt einen einzelnen oder wenige Josephson-Kontakte in einen Resonator einzubetten, verketteten sie mehr als 3.000 Kontakte miteinander und schufen so einen sogenannten parametrischen Josephson-Wanderwellenverstärker. Photonen interagieren miteinander, während sie sich von Kreuzung zu Kreuzung bewegen, was zu einer Rauschunterdrückung führt, ohne eine einzelne Kreuzung zu belasten.
Ihr Wanderwellensystem kann Signale mit viel höherer Leistung als resonatorbasierte Josephson-Verstärker ohne die Bandbreitenbeschränkung des Resonators tolerieren, was zu einer Breitbandverstärkung und einem hohen Maß an Quetschung führt, sagt Qiu.
„Sie können sich dieses System als eine wirklich lange optische Faser vorstellen, eine andere Art von verteiltem nichtlinearem parametrischem Verstärker. Und wir können auf 10.000 Verbindungen oder mehr ausdehnen. Dies ist ein erweiterbares System im Gegensatz zur resonanten Architektur“, sagt er.
Nahezu rauschfreie Verstärkung
Ein Paar Pumpphotonen tritt in das Gerät ein und dient als Energiequelle. Forscher können die Frequenz der Photonen, die von jeder Pumpe kommen, abstimmen, um ein Quetschen bei der gewünschten Signalfrequenz zu erzeugen. Wenn sie beispielsweise ein 6-Gigahertz-Signal quetschen wollen, würden sie die Pumpen so einstellen, dass sie Photonen mit 5 bzw. 7 Gigahertz senden. Wenn die Pumpphotonen innerhalb des Geräts interagieren, kombinieren sie sich, um ein verstärktes Signal mit einer Frequenz genau in der Mitte der beiden Pumps zu erzeugen. Dies ist ein spezieller Prozess eines allgemeineren Phänomens, das als nichtlineare Wellenmischung bezeichnet wird.
„Das Zusammendrücken des Rauschens resultiert aus einem Zwei-Photonen-Quanteninterferenzeffekt, der während des parametrischen Prozesses entsteht“, erklärt er.
Diese Architektur ermöglichte es ihnen, die Rauschleistung um einen Faktor 10 unter die fundamentale Quantengrenze zu reduzieren, während sie mit einer Verstärkungsbandbreite von 3,5 Gigahertz arbeiteten – ein Frequenzbereich, der fast zwei Größenordnungen höher ist als bei früheren Geräten.
Ihr Gerät demonstriert auch die Breitbanderzeugung verschränkter Photonenpaare, die es Forschern ermöglichen könnten, Quanteninformationen effizienter mit einem viel höheren Signal-Rausch-Verhältnis auszulesen, sagt Qiu.
Während Qiu und seine Mitarbeiter von diesen Ergebnissen begeistert sind, sagt er, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt. Die zur Herstellung des Verstärkers verwendeten Materialien führen zu Mikrowellenverlusten, die die Leistung beeinträchtigen können. In Zukunft untersuchen sie verschiedene Herstellungsmethoden, die die Einfügungsdämpfung verbessern könnten.
„Diese Arbeit ist nicht als eigenständiges Projekt gedacht. Sie hat ein enormes Potenzial, wenn man sie auf andere Quantensysteme anwendet – als Schnittstelle mit einem Qubit-System, um die Auslesung zu verbessern, oder um Qubits zu verschränken oder den Betriebsfrequenzbereich des Geräts zu erweitern zur Detektion dunkler Materie eingesetzt werden und ihre Detektionseffizienz verbessern. Dies ist im Wesentlichen wie eine Blaupause für zukünftige Arbeiten“, sagt er.
Weitere Co-Autoren sind Arne Grimsmo, Senior Lecturer an der University of Sydney; Kaidong Peng, ein EECS-Doktorand in der Quantum Coherent Electronics Group am MIT; Bharath Kannan, PhD ’22, CEO von Atlantic Quantum; Benjamin Lienhard, PhD ’21, Postdoc an der Princeton University; Youngkyu Sung, ein EECS-Student am MIT; Philip Krantz, ein MIT-Postdoc; Vladimir Bolkhovsky, Greg Calusine, David Kim, Alex Melville, Bethany Niedzielski, Jonilyn Yoder und Mollie Schwartz, technische Mitarbeiter des MIT Lincoln Laboratory; Terry Orlando, Professor für Elektrotechnik am MIT und Mitglied von RLE; Irfan Siddiqi, Professor für Physik an der University of California in Berkeley; und Simon Gustavsson, leitender Forschungswissenschaftler in der Gruppe „Engineering Quantum Systems“ am MIT.
Diese Arbeit wurde teilweise von den NTT Physics and Informatics Laboratories und dem Office of the Director of National Intelligence IARPA-Programm finanziert.