Laser-annealing transmon qubits til højtydende superledende kvanteprocessorer

Kvantefysikere sigter mod at skalere antallet af qubits under kvanteberegning, mens de bibeholder kvanteporte med høj kvalitet; dette er en udfordrende opgave på grund af de præcise frekvenskrav, der følger med processen. Superledende kvanteprocessorer med mere end 50 qubits er i øjeblikket aktivt tilgængelige, og disse transmons med fast frekvens er attraktive på grund af deres lange sammenhæng og støjimmunitet. En transmon er en type af en superledende ladningsqubit designet til at have reduceret følsomhed over for ladestøj. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Eric J. Zhang og et team af videnskabsmænd hos IBM Quantum, IBM T.J. Watson Research Centre, New York, USA, brugte laserudglødning til selektivt at indstille transmon-qubits til de ønskede frekvensmønstre. Forskerholdet opnåede en tuning-præcision på 18,5 MHz, uden nogen målbar indvirkning på kvantekohærens, og forestiller sig at lette selektiv annealing på denne måde for at spille en central rolle i fastfrekvensarkitekturer.

Laser-annealing af stokastisk svækkede qubits (LASIQ)

Multi-qubit-systemer kan bygges på superledende kredsløbs kvanteelektrodynamiske arkitekturer til en række applikationer, herunder implementering af Shor's factoring-algoritme, kvantekemi-simuleringer og maskinlæring. Forskere har også brugt metrikken for kvantevolumen til at spore den kontinuerlige progression af kvanteprocessorkraft for en given processor. Kvantefysikere havde for nylig udviklet en teknik til laserudglødning af stokastisk svækkede qubits, forkortet LASIQ for at øge det kollisionsfrie udbytte af transmongitter ved at indstille individuelle qubit-frekvenser via lasertermisk udglødning. I dette arbejde demonstrerede Zhang et al LASIQ-processen som en skalerbar metode til at opnå den forventede laserjusteringspræcision. Ud over antallet af indstillede qubits målte de de funktionelle parametre for multi-qubit-chips til høj processorydelse. I løbet af undersøgelsen udforskede de LASIQs skaleringsmuligheder ved at tune en 65-qubit Hummingbird-processor (tilgængelig som ibmq_manhattan). Zhang et al. forestille sig, at LASIQ-processen vil blive brugt som et skalerbart frekvensjusteringsværktøj til transmonarkitekturer med fast frekvens i fremtidige generationer af superledende kvantesystemer.

Som bevis på konceptet viste holdet frekvenstuning med en 27-qubit Falcon-processor til at forudsige frekvensmål. De baserede Falcon chip-serien på et tungt sekskantet gitter og udførte alle målinger ved omgivende forhold for at opnå tunede frekvenser. Forskerne undgik nærmeste nabokollisioner med dobbelt så stor kollisionstolerance for at forbedre chipudbyttet mod hybridisering af to-qubit-tilstande. Ud over at undgå kollisioner tunede holdet alle mål for at forhindre radiativ qubit-afslapning. Efter at have afsluttet LASIQ-processen afkølede de kvanteprocessoren og screenede for sammenhæng og enkelt- eller to-qubit gate-fidelity samt kvantevolumenvurdering.

Forskerne behandlede grænserne for LASIQ tuning præcision som begrænsninger af selve processen. For eksempel, da Zhang et al analyserede en stor prøve på 390 tunede qubits, kunne 349 af dem med succes tunes til målet for en tuning succesrate på 89,5 procent under eksperimentet. Arbejdet viste, hvordan LASIQ leverede en levedygtig post-fabrikationstrimningsproces til højtydende skalering af transmon-processorer med fast frekvens. Resultatet giver mere plads til at forbedre frekvensforudsigelser for at opnå større tuningspræcision.

Qubit-kohærens og gate-troskab

For at bestemme effekten af ​​lasertuning på qubit-kohærens (en unik egenskab ved et kvantesystem) brugte forskerne et sammensat sæt af fire afkølede Hummingbird-processorer og øgede deres sammenhæng. De observerede god korrespondance, hvilket indikerer en ubetydelig effekt af LASIQ-processen på qubit-kohærens. Som en praktisk demonstration af tuning-kapaciteterne i LASIQ, lasertunede Zhang et al. en 65-qubit Hummingbird-processor, operationelt cloud-tilgængelig som ibmq_manhattan. De genererede LASIQ tuning planen ved at undgå degenerationer på nærmeste naboniveau, mens de bibeholdt niveauadskillelse i det grænseoverskridende regime. Forskerne afkølede 65-qubit-processoren efter LASIQ og målte qubit-frekvenser med tæthed af frekvensafstemning mellem to-qubit-gatepar. Resultaterne genererede et 100 procents udbytte af fungerende to-qubit-gates, yderligere arbejde vil bestemme de nøjagtige kollisionsbegrænsninger og identificere high-fidelity tuning-regimer med progressivt øgede gitterstørrelser.

Outlook

På denne måde opnåede Adam J. Zhang og kolleger en betydelig forbedring af udbyttet og høje to-qubit gate-fidelities for både Falcon og Hummingbird IBM kvanteprocessortyper. Baseret på resultaterne fremhævede de indflydelsen af ​​LASIQ—laser annealing af stokastisk svækkede qubits; en affektiv post-fabrikation frekvens tuning metode. Metoden kan anvendes til multi-qubit-processer baseret på transmon-arkitekturer med fast frekvens. Metoden tilbyder en skalerbar løsning på problemet med frekvenscrowding, med tilpasningsevne til at skalere qubits i progressivt større kvanteprocessorer. Fremtidigt arbejde vil omfatte tuning-planer for at minimere fejl ved tætte-nabo-kollisioner og tilskuerkollisioner for et maksimeret udbytte. + Udforsk yderligere

En sammenfiltret tilstand på tre qubit er blevet realiseret i et fuldt kontrollerbart array af spin-qubits i silicium

© 2022 Science X Network