СЭМ-изображение двухкубитного процессора Fluxonium. Кредит: Бао и др.

Квантовые компьютеры, устройства, использующие квантовые явления для выполнения вычислений, в конечном итоге могут помочь решать сложные вычислительные задачи быстрее и эффективнее, чем классические компьютеры. Эти устройства обычно основаны на базовых единицах информации, известных как квантовые биты или кубиты.

Исследователи из Alibaba Quantum Laboratory, подразделения исследовательского института DAMO Alibaba Group, недавно разработали квантовый процессор с использованием флюксониевых кубитов, которые до сих пор не были предпочтительным выбором при разработке квантовых компьютеров для отраслевых команд. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, демонстрирует потенциал флюксония для разработки высокоэффективных сверхпроводящих схем.

«Эта работа является важным шагом для нас в продвижении наших исследований в области квантовых вычислений», — сказал Phys.org Яоюнь Ши, директор квантовой лаборатории Alibaba. «Когда мы начали нашу исследовательскую программу, мы решили изучить флюксониум в качестве строительного блока для будущих квантовых компьютеров, отклонившись от общепринятого выбора трансмонового кубита. Мы считаем, что этот относительно новый тип сверхпроводящего кубита может пойти намного дальше, чем трансмон».

В то время как некоторые прошлые исследования уже изучали потенциал квантовых процессоров на основе флюксониевых кубитов, большинство из них в основном предлагали доказательства концепции, которые были реализованы в университетских лабораториях. Однако для того, чтобы эти «искусственные атомы» были реализованы в реальных квантовых компьютерах и могли составить конкуренцию трансмонам (т. е. широко используемым кубитам), им необходимо продемонстрировать высокую производительность в широком диапазоне операций в рамках одного устройства. Именно в этом заключается основная цель данной работы.

Кубиты флюксониума обладают двумя характеристиками, которые отличают их от трансмонов: их энергетические уровни гораздо более неравномерны (т. е. «ангармонические»), и они используют большую катушку индуктивности вместо конденсатора, используемого в трансмонах. Оба вносят свой вклад в преимущество флюксония, по крайней мере теоретически, в том, что он более устойчив к ошибкам, что приводит к лучшей «когерентности», т. е. хранению квантовой информации в течение более длительного времени, и «более высокой точности», т. е. точности при выполнении элементарных операций.

«Можно представить себе энергетические уровни, образующие лестницу», — объяснил руководитель исследования Чунцин Дэн. «Энергетические промежутки важны, потому что каждая квантовая инструкция имеет «высоту» или частоту, и она запускает переходы между двумя уровнями, когда высота тона соответствует их энергетическим промежуткам».

По существу, когда первые два энергетических промежутка между уровнями закрыты, как в трансмоне, «призыв» к переходу между первыми двумя энергетическими уровнями (то есть состояниями «0» и «1») может также случайно вызвать переходы. между вторым и третьим уровнем. Это может вывести состояние за пределы действительного вычислительного пространства, что приведет к так называемой ошибке утечки. С другой стороны, во флюксониуме расстояние, разделяющее вторую и третью энергетические «ступени», больше, что снижает риск ошибок утечки.

«В принципе конструкция флюксониума проста: он состоит из двух элементарных компонентов — «джозефсоновского перехода», шунтированного большой катушкой индуктивности, аналогичного, по сути, трансмону, представляющему собой джозефсоновский переход, шунтированный конденсатор», — сказал Чунцин. «Джозефсоновский переход — это та магическая составляющая, которая в первую очередь создает ангармонизм. Большая катушка индуктивности часто, как и в нашем случае, реализуется большим количеством (в нашей работе 100) джозефсоновских переходов».

Замена конденсатора катушкой индуктивности из флуксония устраняет «островки», возникающие из-за электродов, и источник «шумов заряда», вызванных флуктуациями заряда электронов, что делает флуксоний более устойчивым к ошибкам. Однако это происходит за счет гораздо более сложной инженерии из-за большого количества переходов Джозефсона.

Преимущество Fluxonium в высокой когерентности может быть значительно усилено для достижения высокой точности строба, если стробы используют короткое время. Такие быстрые ворота действительно достигаются благодаря функции «настраиваемости», продемонстрированной исследователями. Точнее, энергетическая щель или «частота» между состояниями «0» и «1» может быть быстро изменена, так что два кубита могут быть быстро приведены в «резонанс», то есть иметь одинаковую частоту. Нахождение в резонансе — это когда два кубита развиваются вместе, чтобы реализовать наиболее важный строительный блок квантового компьютера — вентили с двумя кубитами.

В первоначальных тестах было обнаружено, что квантовая платформа, разработанная Чунцином и его коллегами, достигает средней точности логического элемента с одним кубитом 99,97% и точности логического элемента с двумя кубитами до 99,72%. Эти значения сравнимы с некоторыми из лучших результатов, достигнутых квантовыми процессорами в предыдущих исследованиях. Помимо вентилей с одним и двумя кубитами, команда также надежно интегрировала другие основные операции, необходимые для цифрового квантового компьютера, — сброс и считывание.

Двухкубитный процессор, разработанный этой группой исследователей, может открыть новые возможности для использования флюксония в квантовых вычислениях, поскольку он значительно превосходит другие процессоры для проверки концепции, представленные в прошлом. Их работа может вдохновить другие команды на разработку аналогичных конструкций, заменив трансмон флюксониевыми кубитами.

«Наше исследование представляет собой альтернативу широко адаптированному трансмону», — сказал Чунцин. «Мы надеемся, что наша работа вызовет больший интерес к исследованию флюксониума, чтобы его полный потенциал можно было раскрыть для достижения значительно более высокой производительности в точности воспроизведения, что, в свою очередь, значительно сократит накладные расходы на реализацию отказоустойчивых квантовых вычислений. Что это значит заключается в том, что для той же вычислительной задачи более точному флюксониевому квантовому компьютеру может потребоваться значительно меньшее количество кубитов».

По сути, Чунцин и его коллеги показали, что процессоры на основе флюксония могут выполнять гораздо более мощные вычисления, чем процессоры на основе трансмонов, используя такое же количество физических кубитов. В своих следующих исследованиях команда хотела бы масштабировать свою систему и попытаться сделать ее отказоустойчивой, сохранив при этом высокую точность.

«Теперь мы планируем проверить нашу гипотезу о том, что флюксониум действительно является гораздо лучшим кубитом, чем трансмон, а затем двигаться к следующей важной вехе сообщества по реализации отказоустойчивости с использованием кубитов флексониум сверхвысокой точности», — добавил Яоюн. «Мы считаем, что флюксониум может получить более широкое признание, поскольку мы еще даже не приблизились к какому-либо теоретическому пределу высокоточной работы. Важно продолжать продвигать это направление».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org