En alternativ superledende qubit opnår høj ydeevne til kvanteberegning

Kvantecomputere, enheder, der udnytter kvantefænomener til at udføre beregninger, kunne i sidste ende hjælpe med at tackle komplekse beregningsproblemer hurtigere og mere effektivt end klassiske computere. Disse enheder er almindeligvis baseret på grundlæggende informationsenheder kendt som kvantebits eller qubits.

Forskere ved Alibaba Quantum Laboratory, en enhed af Alibaba Groups DAMO-forskningsinstitut, har for nylig udviklet en kvanteprocessor ved hjælp af fluxonium-qubits, som hidtil ikke har været det foretrukne valg, når man udvikler kvantecomputere til industriteams. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , demonstrerer potentialet af fluxonium til udvikling af højtydende superledende kredsløb.

"Dette arbejde er et kritisk skridt for os i at fremme vores kvantecomputerforskning," fortalte Yaoyun Shi, direktør for Alibabas kvantelaboratorium, til Phys.org. "Da vi startede vores forskningsprogram, besluttede vi at udforske fluxonium som byggestenen til fremtidige kvantecomputere, idet vi afviger fra det almindelige valg af transmon-qubit. Vi mener, at denne relativt nye type superledende qubit kunne gå meget længere end transmon."

Mens nogle tidligere undersøgelser allerede havde undersøgt potentialet af kvanteprocessorer baseret på fluxonium-qubits, tilbød de fleste af dem primært proofs of concept, som blev realiseret i universitetslaboratorier. For at disse "kunstige atomer" kan implementeres i rigtige kvantecomputere og konkurrere med transmons (dvs. udbredte qubits), skal de imidlertid demonstrere en høj ydeevne på en bred vifte af operationer inden for en enkelt enhed. Dette er netop hovedformålet med dette arbejde.

Fluxonium qubits har to karakteristika, der adskiller det fra transmons:deres energiniveauer er langt mere ujævne (dvs. "anharmoniske"), og de bruger en stor induktor til at erstatte kondensatoren, der bruges i transmon. Begge bidrager til fluxoniums fordel, i det mindste teoretisk, ved at være mere modstandsdygtig over for fejl, hvilket fører til bedre "kohærens", dvs. at holde kvanteinformation i længere tid, og "højere troskab", dvs. nøjagtighed, i at realisere elementære operationer.

"Man kan forestille sig, at energiniveauerne danner en stige," forklarede Chunqing Deng, der ledede undersøgelsen. "Energigab er vigtige, fordi hver kvanteinstruktion har en 'pitch' eller frekvens, og den udløser overgange mellem to niveauer, når tonehøjden matcher deres energigab."

I det væsentlige, når de første to energigab mellem niveauer lukkes, som de er i transmon, kan et "kald" til overgangen mellem de første to energiniveauer (dvs. "0" og "1" tilstande), ved et uheld også udløse overgange mellem andet og tredje niveau. Dette kan bringe tilstanden uden for det gyldige beregningsrum, hvilket fører til, hvad der er kendt som en lækagefejl. I fluxonium derimod er afstanden, der adskiller andet og tredje energi-"trin" større, hvilket mindsker risikoen for lækagefejl.

"I princippet er designet af fluxonium enkelt:det består af to elementære komponenter - en 'Josephson junction' shuntet med en stor induktor, som faktisk ligner den for en transmon, som er en Josephson junction shuntet med en kondensator," sagde Chunqing. "Josephson-krydset er den magiske komponent, der skaber anharmonicitet i første omgang. Den store induktor er ofte, som i vores tilfælde også, implementeret af et stort antal (i vores arbejde, 100) af Josephson-kryds."

Udskiftning af kondensatoren med en induktor i fluxonium fjerner "øerne" som følge af elektroderne og kilden til "ladningsstøj" forårsaget af elektronladningsudsving, hvilket gør fluxonium mere fejlsikkert. Dette er dog på bekostning af meget mere krævende teknik på grund af det store udvalg af Josephson-kryds.

Fluxoniums fordel i høj kohærens kan forstærkes kraftigt for at opnå høj gate-fidelities, hvis portene bruger kort tid. Sådanne hurtige porte opnås faktisk gennem "tunability"-funktionen demonstreret af forskerne. Mere præcist kan energigabet eller "frekvensen" mellem "0" og "1"-tilstandene hurtigt ændres, så to qubits hurtigt kan bringes til at være "i resonans", det vil sige at have samme frekvens. At være i resonans er, når de to qubits udvikler sig sammen for at realisere den mest kritiske byggesten i en kvantecomputer – 2-qubit-porte.

I de indledende tests fandtes kvanteplatformen designet af Chunqing og hans kolleger at opnå en gennemsnitlig enkelt-qubit-gatefidelitet på 99,97% og en to-qubit-gatefidelitet på op til 99,72%. Disse værdier er sammenlignelige med nogle af de bedste resultater opnået af kvanteprocessorer i tidligere undersøgelser. Udover enkelt- og to-qubit-gates integrerede teamet også på en robust måde andre grundlæggende funktioner, der er nødvendige for en digital kvantecomputer – nulstilling og udlæsning.

2-qubit-processoren udviklet af dette team af forskere kunne åbne nye muligheder for brugen af ​​fluxonium i kvantecomputere, da den klarede sig betydeligt bedre end andre proof-of-concept-processorer introduceret i fortiden. Deres arbejde kunne inspirere andre teams til at udvikle lignende designs ved at erstatte transmon med fluxonium-qubits.

"Vores undersøgelse introducerer et alternativt valg til den bredt tilpassede transmon," sagde Chunqing. "Vi håber, at vores arbejde vil inspirere til mere interesse for at udforske fluxonium, så dets fulde potentiale kan frigøres for at opnå en markant højere ydeevne inden for troskab, hvilket igen vil reducere omkostningerne ved at realisere fejltolerance kvanteberegning betydeligt. Hvad betyder dette er, at til den samme beregningsopgave kan en højere-fidelity fluxonium kvantecomputer have brug for betydeligt færre antal qubits."

I det væsentlige viste Chunqing og hans kolleger, at fluxonium-baserede processorer kunne udføre langt mere kraftfulde beregninger end transmon-baserede ved at bruge det samme antal fysiske qubits. I deres næste undersøgelser vil holdet gerne skalere deres system op og forsøge at gøre det fejltolerant, samtidig med at de bevarer en høj kvalitet.

"We now plan to validate our hypothesis that fluxonium is indeed a much better qubit than transmon and then march towards the community's next major milestone of realizing fault-tolerance, using ultra-high fidelity flxuonium qubits," Yaoyun added. "We believe fluxonium has the potential to be more widely recognized, as we are not even close to any theoretical limit of high-fidelity operation yet. It is important to keep pushing this direction." + Udforsk yderligere

Laser annealing transmon qubits for high-performance superconducting quantum processors

© 2022 Science X Network