I balance:Kvantecomputere har brug for den rigtige kombination af orden og uorden

Forskning udført inden for Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" (ML4Q) har analyseret banebrydende enhedsstrukturer af kvantecomputere for at demonstrere, at nogle af dem faktisk fungerer farligt tæt på en tærskel for kaotisk nedsmeltning. Udfordringen er at gå en tynd linje mellem for høj, men også for lav uorden for at sikre enhedens funktion. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i dag i Nature Communications .

I kapløbet om, hvad der kan blive en vigtig fremtidig teknologi, investerer teknologigiganter som IBM og Google enorme ressourcer i udviklingen af ​​kvantecomputerhardware. De nuværende platforme er dog endnu ikke klar til praktiske anvendelser. Der er stadig flere udfordringer, heriblandt kontrol af enhedsfejl ("uorden").

Det er en gammel stabilitetsforanstaltning:Når store grupper af mennesker krydser broer, skal de undgå at marchere i takt for at forhindre dannelsen af ​​resonanser, der destabiliserer konstruktionen. Måske kontraintuitivt stoler den superledende transmon qubit-processor – en teknologisk avanceret platform til kvanteberegning foretrukken af ​​IBM, Google og andre konsortier – på det samme princip:bevidst introduceret lidelse blokerer dannelsen af ​​resonante kaotiske fluktuationer og bliver dermed en væsentlig del af produktion af multi-qubit-processorer.

For at forstå denne tilsyneladende paradoksale pointe bør man tænke på en transmon qubit som en slags pendul. Qubits, der er forbundet med hinanden for at danne en computerstruktur, definerer et system af koblede penduler - et system, der ligesom klassiske penduler nemt kan ophidses til ukontrollerbart store svingninger med katastrofale konsekvenser. I kvanteverdenen fører sådanne ukontrollerbare svingninger til ødelæggelse af kvanteinformation; computeren bliver ubrugelig. Med vilje indførte lokale 'detuneringer' af enkelte penduler holder sådanne fænomener på afstand.

"Transmon-chippen tolererer ikke kun, men kræver faktisk tilfældige qubit-til-qubit-enhedsfejl," forklarede Christoph Berke, sidste års doktorand i gruppen af ​​Simon Trebst ved University of Cologne og førsteforfatter af papiret. "I vores undersøgelse spørger vi, hvor pålideligt princippet om "stabilitet ved tilfældighed" er i praksis. Ved at anvende state-of-the-art diagnostik af teorien om forstyrrede systemer var vi i stand til at finde ud af, at i det mindste nogle af de industrielle forfulgte systemarkitekturer er farligt tæt på ustabilitet."

Fra synspunktet om grundlæggende kvantefysik er en transmon-processor et kvantesystem med mange kroppe med kvantificerede energiniveauer. Avancerede numeriske værktøjer gør det muligt at beregne disse diskrete niveauer som en funktion af relevante systemparametre for at opnå mønstre, der overfladisk ligner et virvar af kogt spaghetti. En omhyggelig analyse af sådanne strukturer for realistisk modellerede Google- og IBM-chips var et ud af flere diagnostiske værktøjer, der blev anvendt i papiret til at kortlægge et stabilitetsdiagram for transmon-kvanteberegning.

"Da vi sammenlignede Google med IBM-chippene, fandt vi ud af, at i sidstnævnte tilfælde kan qubit-tilstande være koblet i en sådan grad, at kontrollerede gate-operationer kan blive kompromitteret," sagde Simon Trebst, leder af Computational Condensed Matter Physics-gruppen ved universitetet af Köln. For at sikre kontrollerede gate-operationer er man derfor nødt til at finde den subtile balance mellem at stabilisere qubit-integritet og muliggøre inter-qubit-kobling. I sprogbruget pastatilberedning skal man forberede kvantecomputerprocessoren til perfektion, holde energitilstandene 'al dente' og undgå deres sammenfiltring ved overkogning.

Studiet af lidelse i transmon-hardware blev udført som en del af Cluster of Excellence ML4Q i et samarbejde mellem forskergrupperne af Simon Trebst og Alexander Altland ved University of Cologne og gruppen af ​​David DiVincenzo ved RWTH Aachen University og Forschungszentrum Jülich. "Dette samarbejdsprojekt er ret unikt," siger Alexander Altland fra Instituttet for Teoretisk Fysik i Köln. "Vores komplementære viden om transmon-hardware, numerisk simulering af komplekse mange-kropssystemer og kvantekaos var den perfekte forudsætning for at forstå, hvordan kvanteinformation med uorden kan beskyttes. Det indikerer også, hvordan indsigt opnået for små referencesystemer kan overføres til anvendelse. -relevante designskalaer."

David DiVincenzo, stiftende direktør for JARA-Institute for Quantum Information ved RWTH Aachen University, drager følgende konklusion:"Vores undersøgelse viser, hvor vigtigt det er for hardwareudviklere at kombinere enhedsmodellering med avanceret kvantetilfældighedsmetodologi og at integrere 'kaosdiagnostik' som en rutinemæssig del af qubit-processordesign i den superledende platform." + Udforsk yderligere

Første hybrid kvantebit baseret på topologiske isolatorer