Alternatieve supergeleidende qubits bereiken hoge prestaties voor quantum computing

Alternatieve supergeleidende qubits bereiken hoge prestaties voor quantum computing

SEM-afbeelding van een 2-qubit Fluxonium-processor. Krediet: Bao et al.

Kwantumcomputers, apparaten die kwantumverschijnselen gebruiken om berekeningen uit te voeren, kunnen uiteindelijk helpen bij het sneller en efficiënter oplossen van complexe rekenproblemen dan conventionele computers. Deze apparaten zijn meestal gebaseerd op basisinformatie-eenheden die bekend staan ​​als kwantumbits of qubits.

Onderzoekers van het Alibaba Quantum Laboratory, een onderdeel van het DAMO-lab van de Alibaba Group, hebben een kwantumprocessor ontwikkeld met behulp van fluxoniumqubits, die tot voor kort niet de voorkeur hadden bij het ontwikkelen van kwantumcomputers voor industriële teams. hun papieren gepubliceerd in fysieke beoordelingsbriefToont het potentieel van fluxonium voor de ontwikkeling van hoogwaardige supergeleidende circuits.

“Dit werk is een belangrijke stap in het bevorderen van onderzoek naar kwantumcomputers”, vertelde Yaoyun Shi, directeur van Alibaba’s Quantum Lab, aan Phys.org. “Aan het begin van ons onderzoeksprogramma hebben we besloten om af te stappen van de reguliere selectie van transmon-qubits en fluxonium te onderzoeken als een bouwsteen voor toekomstige kwantumcomputers. Ik geloof dat je dat kunt.”

In wat eerder werk is het potentieel van kwantumprocessors op basis van fluxoniumqubits al onderzocht, maar de meeste hebben proof-of-concept opgeleverd, voornamelijk gerealiseerd in universitaire laboratoria. Om deze “kunstmatige atomen” echter te implementeren in echte kwantumcomputers en te concurreren met transmons (d.w.z. de veelgebruikte qubits), moeten ze hoge prestaties leveren in een breed scala aan taken binnen een enkel apparaat. Dit is het belangrijkste doel van dit werk.

Fluxoniumqubits hebben twee kenmerken die hen onderscheiden van transmonen. De energieniveaus zijn veel ongelijker (d.w.z. “harmonische”) en grote inductoren worden gebruikt om de condensatoren die in transmons worden gebruikt te vervangen. Beide dragen, althans theoretisch, bij aan de voordelen van fluxonium. Weerbaarder zijn tegen fouten draagt ​​bij aan een betere “coherentie”, d.w.z. het langer vasthouden van kwantuminformatie, en “higher fidelity”, d.w.z. nauwkeurigheid om basisbewerkingen te realiseren.

“Je kunt je de energieniveaus voorstellen die de ladder vormen”, legt Chunqing Deng uit, die het onderzoek leidde. “De energiekloof is belangrijk omdat elk kwantumcommando een ‘pitch’ of frequentie heeft, en wanneer de toonhoogte overeenkomt met de energiekloof, veroorzaakt het een overgang tussen de twee niveaus.”

In wezen kan een “oproep” naar een overgang tussen de eerste twee energieniveaus (d.w.z. de “0” en “1” toestanden) ook onbedoeld een overgang veroorzaken, omdat het transmony is wanneer de eerste twee energiekloven tussen de niveaus sluiten. Tussen het tweede en derde niveau. Dit kan de toestand buiten de geldige rekenruimte brengen, wat resulteert in een bekende lekfout. Aan de andere kant is in Fluxonium de afstand tussen de tweede en derde energie “fasen” groter, wat het risico op lekfouten vermindert.

“In principe is het ontwerp van fluxonium eenvoudig. Fluxonium bestaat uit twee basiscomponenten: een grote inductor en een overbrugde ‘Josephson-junction’, die eigenlijk wordt geclassificeerd als een transmon, vergelijkbaar met een transmon. Condensator”, zei Chunqing. “Josephson-knooppunten zijn in de eerste plaats de magische bouwstenen voor het creëren van harmonie. Grote inductoren worden vaak geïmplementeerd door een groot aantal (100 in onze studie) Josephson-knooppunten, zoals vaak het geval is in ons geval.”

Het vervangen van de condensator door een spoel van Fluxonium elimineert de oorzaak van “eilandjes” in de elektroden en “laadruis” als gevolg van elektronische ladingsfluctuaties, waardoor het Fluxonium beter bestand is tegen fouten. Dit gaat echter ten koste van veel veeleisender engineering vanwege de grote opstelling van Josephson-knooppunten.

Het voordeel van Fluxonium in hoge coherentie kan sterk worden versterkt om een ​​hoge poortgetrouwheid te bereiken wanneer poorten korte tijd gebruiken. Deze snelle poorten worden feitelijk bereikt door de door de onderzoekers bewezen “afstembaarheid” -functie. Om precies te zijn, de energiekloof of “frequentie” tussen de toestanden “0” en “1” kan snel veranderen, zodat twee qubits snel kunnen “resoneren”, d.w.z. dezelfde frequentie hebben. Een resonantietoestand is wanneer twee qubits samen evolueren om de belangrijkste bouwsteen van een kwantumcomputer te realiseren: een poort van twee qubits.

Bij de eerste tests is aangetoond dat het door Chunqing en zijn collega’s ontworpen kwantumplatform een ​​gemiddelde gate-getrouwheid van één qubit van 99,97% en een gate-getrouwheid van twee qubits tot 99,72% bereikt. Deze waarden liggen dicht bij enkele van de beste resultaten die door kwantumprocessors in eerdere onderzoeken zijn behaald. Naast enkele en twee-qubit-poorten heeft het team ook andere basishandelingen die nodig zijn voor digitale kwantumcomputers op een krachtige manier geïntegreerd en uitgelezen.

De twee-qubit-processor die door dit team van onderzoekers is ontwikkeld, presteerde veel beter dan andere proof-of-concept-processors die in het verleden zijn geïntroduceerd, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstonden voor het gebruik van fluxonium in kwantumcomputers. Hun werk zou andere teams kunnen inspireren om soortgelijke ontwerpen te ontwikkelen door Transmons te vervangen door Fluxonium-qubits.

“Onze studie introduceert een alternatieve optie voor op grote schaal aangepaste transmonen,” zei Chunqing. “We hopen dat ons werk zijn volledige potentieel zal ontketenen om meer interesse in fluorescentie-exploratie aan te wakkeren en veel hogere prestaties in getrouwheid te bereiken. Dit zal op zijn beurt de overhead van het realiseren van fouttolerante kwantumcomputing aanzienlijk verminderen. Wat dit betekent is dat voor hetzelfde rekentaak, kan een fluxonium-kwantumcomputer met een hogere betrouwbaarheid aanzienlijk minder qubits nodig hebben.”

In wezen hebben Chunqing en zijn collega’s aangetoond dat op fluxonium gebaseerde processors aanzienlijk krachtigere berekeningen kunnen uitvoeren dan op Transmon gebaseerde processors die hetzelfde aantal fysieke qubits gebruiken. In de volgende studie probeert het team het systeem te schalen en fouttolerantie te creëren met behoud van hoge betrouwbaarheid.

“We zijn nu van plan om onze hypothese te valideren dat Fluxonium eigenlijk veel betere qubits is dan Transmons, en op weg te gaan naar de volgende belangrijke mijlpaal in de gemeenschap die ultra-high-fidelity Fluxonium-qubits gebruikt om fouttolerantie te bereiken,” zei Yaoyun. “Wij zijn van mening dat fluxonium het potentieel heeft om op grotere schaal erkend te worden, aangezien we nog niet dicht bij de theoretische limieten van high-fidelity-operaties zijn. Het is belangrijk om in deze richting te blijven gaan.”


Laser-gegloeide transmon-qubits voor krachtige supergeleidende kwantumprocessors


Extra informatie:
Feng Bao et al, Fluxonium: alternatieve qubit-platforms voor high-fidelity-taken, fysieke beoordelingsbrief (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.010502

© 2022 Science X Network

Dagvaarding: High-performance alternatieve supergeleidende qubits voor Quantum Computing (27 juli 2022), juli 2022 op https://phys.org/news/2022-07-alternative-superconducting-qubit-high-quantum.html Zoek naar de 27e van de maand

Dit document is auteursrechtelijk beschermd. Niets mag worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming, behalve voor eigen onderzoek of eerlijke handel voor onderzoeksdoeleinden. Inhoud wordt alleen ter informatie verstrekt.

Leave a Comment

Your email address will not be published.