Høj sammenhæng og lav krydstale i en superledende qubit-arkitektur

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Peter A. Spring og et hold af videnskabsmænd i fysik ved Oxford University beskrev qubit-kohærens og lav krydstale og enkelt-qubit-gatefejl i superledende qubit-arkitektur, velegnet til todimensionelle (2D) gitter af qubits. Den eksperimentelle opsætning involverede et induktivt shuntet hulrumskabinet med ikke-galvaniske, ud-af-planet kontrolledninger, qubits og resonatorer fremstillet på modsatte sider af et substrat. Forskerne udviklede en proof-of-concept-enhed med fire ukoblede transmon-qubits, dvs. en superledende ladet qubit med reduceret følsomhed over for ladestøj, for at udvise specifikke egenskaber målt via samtidig randomiseret benchmarking. Den tredimensionelle integrerede karakter af styreledningerne gjorde det muligt for qubit'en at forblive adresserbar, da arkitekturen dannede større qubit-gitter.

Kvantearkitekt

Bestræbelser på at bygge tredimensionelle (3D) gitter med et væld af meget sammenhængende qubits indesluttet er en enestående hardwareudfordring. Forskere har tidligere udviklet superledende kredsløb som en lovende platform til at realisere sådanne gitter og danne et universelt portsæt. Typisk skal to sæt krav være opfyldt for at skalere sådanne superledende gitter, herunder en metode til at dirigere kontrolledninger til kredsløbet, der tillader alle qubits at forblive adresserbare og målbare, samtidig med at lavfrekvente falske tilstande forhindres i at opstå i kredsløbet med stigende dimensioner. Skaleringsprocessen bør også forhindre dekohærenskanaler til qubits og være kompatibel med gate-fidelities ud over tærsklen for kvantefejlkorrektionskoder. Fysikere havde tidligere overvundet ledningsgrænserne for kantforbundne kredsløb via 3D integreret styreledninger som en praktisk løsning. Alternativt kan kredsløb være indesluttet i induktivt shuntede hulrum i to dimensioner med en afskæringsfrekvens til hulrumstilstande. Spring et al præsenterede eksperimentelle resultater i forhold til sidstnævnte koncept på et fire-qubit proof-of-principle-kredsløb, hvor kredsløbsarkitekturen indeholdt 3D integreret out-of-plane kontrolledninger, qubits og udlæsningsresonatorer fremstillet på modsatte sider af et substrat. Holdet inkluderede også en vigtig ny funktion til kompatibilitet med transmon-kohærenstider, der overstiger 100 µs, lav krydstale og enkelt-qubit-gatefejl.

Forskerne opnåede billeder af hulrumskabinettet og kredsløbet, hvor kabinettets base bibeholdt en enkelt central "søjle" og et låg indeholdende en matchende cylindrisk fordybning fyldt med en kugle af indium. De arrangerede de fire koaksiale transmon-qubits i et 2 x 2 gitter med 2 mm mellemrum og implementerede derefter et ledningsdesign uden for planet med induktiv shuntdesign og et kredsløbslayout, hvor hver resonator var koaksialt justeret med og kapacitivt koblet, til en qubit. Opsætningen gjorde det muligt for qubit-elektroderne at være "elektrisk flydende." Holdet opnåede de grundlæggende kredsløbsparametre og karakteriserede krydstale af enheden, hvor enheden var en proof-of-princip demonstration af kredsløbsarkitekturen uden tilsigtede koblinger, undtagen mellem qubit-resonator-par. Som et resultat identificerede Spring et al alle andre koblinger som uønsket krydstale. Holdet definerede derefter vilkårene for krydstale og opsummerede de eksperimentelle og simulerede parasitære tværgående koblinger i enheden efterfulgt af eksperimentelle målinger af qubit-kontrollinjeselektivitet og resonatorkontrollinjeselektivitet. De målte også den parasitiske qubit-resonatorkobling for at forstå det parasitiske dispersive skift mellem qubit og resonator. Efterfulgt af single-qubit randomiseret benchmarking udført på alle fire qubits separat og samtidigt. Holdet udførte hver af de 31 x 80 eksperimenter, 5.000 gange for at bygge statistik og præsenterede de resulterende fejl-per-fysiske porte, og udførte også korreleret randomiseret benchmarking baseret på simultane eksperimentelle data. Til båndstruktursimuleringer analyserede Spring et al højfrekvensstruktursimulatormodellen af ​​en enhedscelle, der indeholdt ideelle dimensioner af enhedens centrale 2 mm x 2 mm-region. De kortlagde derefter båndstrukturen under simuleringer, mens de indsamlede detaljer om den analytiske afskæringsfrekvens, båndkrumning og plasmahud- og dybdeforudsigelser i opsætningen.

Outlook

På denne måde analyserede Peter A. Spring og hans kolleger gennemsnitlige qubit-kohærenstider og samtidige single-qubit gate-fidelities i en fire-qubit demonstration af en 3D superledende kredsløbsarkitektur. Før inklusion af qubit-koblingskredsløb undertrykte holdet i høj grad den resterende krydstale af opsætningen. Den forudsete optimerede enhed er anvendelig til at studere korrelerede fejl genereret fra højenergistråling i gitter af qubits med høj kohærens og eksponentielt undertrykt krydstale. Den nuværende arkitektur indeholdt en induktivt shuntet hulrumsindkapsling, der tæt omgiver kredsløbet, kombineret med 3D integreret ud af planet kontrolledninger og resonatorer til udlæsning på omvendt side. Resultaterne fremhævede den lave krydstale af forsøgsopstillingen. Indkapslingen kan genbruges ved at omforme indiumkuglen i lågets fordybning; kredsløbet var imidlertid ikke bundet til kabinettet og kunne derfor ikke fjernes og genmonteres. Forskerne fremhævede adskillige mangler ved den præsenterede enhed, herunder de små og variable eksterne resonator-henfaldshastigheder og dispersive skift, der var ikke-optimale for qubit-aflæsninger. Spring et al. krediteret den øgede sammenhæng i opsætningen til fabrikationsprocessen, som afveg fra tidligere implementeringer af arkitekturen. + Udforsk yderligere

Hurtigere teknik til nulstilling af kvantekredsløb foreslået

© 2022 Science X Network