Dobbelttransmonkobler vil realisere hurtigere og mere nøjagtige superledende kvantecomputere

Forskere ved Toshiba Corporation har opnået et gennembrud inden for kvantecomputerarkitektur:det grundlæggende design for en dobbelttransmonkobler, der vil forbedre hastigheden og nøjagtigheden af ​​kvanteberegninger i justerbare koblere. Kobleren er en nøgleanordning til at bestemme ydeevnen af ​​superledende kvantecomputere.

Afstembare koblere i en superledende kvantecomputer forbinder to qubits og udfører kvanteberegninger ved at tænde og slukke for koblingen mellem dem. Nuværende teknologi kan deaktivere koblingen af ​​transmon-qubits med tætte frekvenser, men dette er tilbøjeligt til crosstalk-fejl, der opstår på en af ​​qubits, når den anden qubit bestråles med elektromagnetiske bølger til kontrol. Derudover kan den nuværende teknologi ikke helt slå kobling fra for qubits med væsentligt forskellige frekvenser, hvilket resulterer i fejl på grund af resterende kobling.

Toshiba har for nylig udtænkt en dobbelttransmonkobler, der fuldstændig kan tænde og slukke for koblingen mellem qubits med væsentligt forskellige frekvenser. Fuldstændig tænding muliggør højhastigheds kvanteberegninger med stærk kobling, mens fuldstændig slukning eliminerer resterende kobling, hvilket forbedrer kvanteberegningshastigheder og nøjagtighed. Simuleringer med den nye teknologi har vist, at den realiserer to-qubit-gates, grundlæggende operationer i kvanteberegning, med en nøjagtighed på 99,99 % og en behandlingstid på kun 24 ns.

Toshibas dobbelttransmonkobler kan anvendes til transmon-qubits med fast frekvens, hvilket giver høj stabilitet og let design. Det er den første til at realisere kobling mellem fast-frekvens transmon qubits med væsentligt forskellige frekvenser, der kan slås helt til og fra, og til at levere en højhastigheds, nøjagtig to-qubit gate.

Teknologien forventes at fremme realiseringen af ​​højere ydeevne kvantecomputere, der vil bidrage på områder som opnåelse af kulstofneutralitet og udvikling af nye lægemidler. Detaljer om teknologien blev offentliggjort i Physical Review Applied .

Udviklingsbaggrund

Kvantemekanik beskriver den usynlige verden af ​​atomer og molekyler ved hjælp af kvantesuperpositionstilstande, hvilket gør det muligt for et fysisk system at se ud til at være i to helt forskellige tilstande samtidigt. Kvantecomputere gør brug af denne mystiske egenskab til at udføre beregninger, der er praktisk talt umulige med konventionelle computere, en funktion, der har tiltrukket sig stor opmærksomhed i de senere år.

Kvantecomputere bruger qubits i kvantesuperpositionstilstande på 0 og 1 til at udføre beregninger. Enhver kvanteberegning udføres med to grundlæggende operationer, enkelt-qubit-gates og to-qubit-gates. For at realisere højtydende kvantecomputere har vi brug for hurtige og præcise gate-operationer.

Udvikling af kvantecomputere fremmes over hele verden, og dette har medført vedtagelsen af ​​flere tilgange, med forslag lige fra manipulation af enkelte atomer eller ioner til brug af halvledere og superledende kredsløb. Superledende kredsløbstilgangen anses nu for at have en fordel med hensyn til at realisere kvantesuperpositionstilstande i store kredsløb og i den relative lethed at opnå den stærke kobling af qubits, der er afgørende for højhastighedsudførelse af to-qubit-gates.

Kobling af qubits udføres med en kobler. Indtil for nylig har hovedelementerne været faste koblinger med en konstant koblingsstyrke, men opmærksomheden rettes nu mod justerbare koblinger, som anses for at tilbyde den justerbare koblingsstyrke, der er nødvendig for at forbedre ydeevnen.

Afstembare koblere opnår modstridende krav:en hurtig to-qubit-gate med stærk kobling, sammen med evnen til at reducere fejl fra resterende kobling ved at slukke for koblingen. Det er også at foretrække, at den qubit, der anvendes i beregninger, er en transmon-qubit med fast frekvens, som er meget stabil, har en enkel struktur og er let at fremstille.

Derudover bør frekvensen af ​​de to qubits, der kobles, være væsentligt forskellige, da dette reducerer krydstalefejl og er robust over for afvigelser fra designværdierne for qubit-frekvenser, og derved forbedrer udbyttet i enhedsfremstilling. Problemet her er imidlertid, at ingen afstembar kobler endnu har været i stand til at kombinere komplet off-coupling og hurtige to-qubit gate-operationer for to fast-frekvens transmon qubits med væsentligt forskellige frekvenser.

Funktioner ved den nye teknologi

Toshiba-forskere har udtænkt en dobbelttransmonkobler, verdens første afstembare kobler, der både helt kan slå koblingen fra og betjene de to qubit-gates ved høj hastighed for to fastfrekvens-transmon-qubits med væsentligt forskellige frekvenser.

Den dobbelte transmonkobler omfatter to transmon-qubits med fast frekvens sammen med to andre transmon-qubits med fast frekvens, der bruges til beregning. Dobbelttransmonkoblingen har en sløjfe, og de tre x'er på løkken repræsenterer to transmon Josephson-forbindelser og en yderligere Josephson-forbindelse. Den magnetiske flux i sløjfen, Φex, kan tunes af et eksternt magnetfelt for at bringe koblingsstyrken mellem qubits på begge sider til nøjagtig nul, hvilket helt slukker for koblingen.

Koblingsstyrken kan også øges til flere tiere megahertz ved at øge den magnetiske flux, som realiserer hurtige to-qubit gate-operationer. Simuleringer har vist, at gate-operationer med en nøjagtighed på 99,99% er mulige, med gate-tider så korte som 24 ns. Koblingen forventes således at bidrage til kvantecomputere med højere ydeevne. + Udforsk yderligere

En alternativ superledende qubit opnår høj ydeevne til kvanteberegning