MIT-onderzoekers hebben een kwantumcomputerarchitectuur geïntroduceerd die kwantumberekeningen met lage fouten kan uitvoeren en tegelijkertijd snel kwantuminformatie tussen processors kan delen. Het werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in de richting van een compleet platform voor kwantumcomputers.

Voorafgaand aan deze ontdekking, kleinschalige kwantumprocessors hebben met succes taken uitgevoerd met een snelheid die exponentieel sneller is dan die van klassieke computers. Echter, het was moeilijk om kwantuminformatie controleerbaar te communiceren tussen ver verwijderde delen van een processor. Bij klassieke computers bekabelde verbindingen worden gebruikt om informatie heen en weer te leiden door een processor tijdens een berekening. In een kwantumcomputer echter, de informatie zelf is kwantummechanisch en kwetsbaar, die fundamenteel nieuwe strategieën vereisen om tegelijkertijd kwantuminformatie op een chip te verwerken en te communiceren.

"Een van de grootste uitdagingen bij het schalen van kwantumcomputers is om kwantumbits met elkaar te laten interageren wanneer ze niet op dezelfde locatie staan, " zegt William Oliver, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, MIT Lincoln Laboratorium collega, en associate director van het Research Laboratory for Electronics. "Bijvoorbeeld, qubits van de naaste buren kunnen gemakkelijk communiceren, maar hoe maak ik 'quantum interconnects' die qubits op verre locaties met elkaar verbinden?"

Het antwoord ligt in het verder gaan dan conventionele interacties tussen licht en materie.

Hoewel natuurlijke atomen klein en puntachtig zijn met betrekking tot de golflengte van het licht waarmee ze interageren, in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , de onderzoekers laten zien dat dit niet het geval hoeft te zijn voor supergeleidende 'kunstmatige atomen'. In plaats daarvan, ze hebben 'gigantische atomen' gemaakt van supergeleidende kwantumbits, of qubits, in een afstembare configuratie verbonden met een microgolftransmissielijn, of golfgeleider.

Hierdoor kunnen de onderzoekers de sterkte van de qubit-golfgeleider-interacties aanpassen, zodat de fragiele qubits kunnen worden beschermd tegen decoherentie, of een soort natuurlijk verval dat anders zou worden versneld door de golfgeleider, terwijl ze high-fidelity-bewerkingen uitvoeren. Zodra deze berekeningen zijn uitgevoerd, de sterkte van de qubit-waveguide koppelingen is aangepast, en de qubits kunnen kwantumgegevens in de golfgeleider vrijgeven in de vorm van fotonen, of lichte deeltjes.

"Het koppelen van een qubit aan een golfgeleider is meestal vrij slecht voor qubit-bewerkingen, omdat dit de levensduur van de qubit aanzienlijk kan verkorten, " zegt Bharat Kannan, MIT graduate fellow en eerste auteur van het papier. "Echter, de golfgeleider is nodig om kwantuminformatie door de processor vrij te geven en te routeren. Hier, we hebben aangetoond dat het mogelijk is om de coherentie van de qubit te behouden, ook al is deze sterk gekoppeld aan een golfgeleider. We hebben dan de mogelijkheid om te bepalen wanneer we de informatie die in de qubit is opgeslagen, willen vrijgeven. We hebben laten zien hoe gigantische atomen kunnen worden gebruikt om de interactie met de golfgeleider aan en uit te zetten."

Het door de onderzoekers gerealiseerde systeem vertegenwoordigt een nieuw regime van interacties tussen licht en materie, zeggen de onderzoekers. In tegenstelling tot modellen die atomen behandelen als puntachtige objecten die kleiner zijn dan de golflengte van het licht waarmee ze interageren, de supergeleidende qubits, of kunstmatige atomen, zijn in wezen grote elektrische circuits. In combinatie met de golfgeleider, ze creëren een structuur zo groot als de golflengte van het microgolflicht waarmee ze interageren.

Het gigantische atoom zendt zijn informatie uit als microgolffotonen op meerdere locaties langs de golfgeleider, zodat de fotonen met elkaar interfereren. Dit proces kan worden afgestemd om destructieve interferentie te voltooien, wat betekent dat de informatie in de qubit is beschermd. Verder, zelfs als er geen fotonen vrijkomen uit het gigantische atoom, meerdere qubits langs de golfgeleider kunnen nog steeds met elkaar communiceren om bewerkingen uit te voeren. Gedurende, de qubits blijven sterk gekoppeld aan de golfgeleider, maar vanwege dit soort kwantuminterferentie, ze kunnen er onaangetast door blijven en worden beschermd tegen decoherentie, terwijl bewerkingen met één en twee qubits met hoge betrouwbaarheid worden uitgevoerd.

"We gebruiken de kwantuminterferentie-effecten die mogelijk worden gemaakt door de gigantische atomen om te voorkomen dat de qubits hun kwantuminformatie naar de golfgeleider sturen totdat we het nodig hebben." zegt Olivier.

"Dit stelt ons in staat om experimenteel onderzoek te doen naar een nieuw natuurkundig regime dat moeilijk toegankelijk is met natuurlijke atomen, ", zegt Kannan. "De effecten van het gigantische atoom zijn extreem schoon en gemakkelijk te observeren en te begrijpen."

Het werk lijkt veel potentieel te hebben voor verder onderzoek, voegt Kannan toe.

"Ik denk dat een van de verrassingen eigenlijk het relatieve gemak is waarmee supergeleidende qubits dit gigantische atoomregime kunnen binnendringen." hij zegt. "De trucs die we gebruikten zijn relatief eenvoudig en, als zodanig, je kunt je voorstellen dat je dit voor verdere toepassingen kunt gebruiken zonder veel extra overhead."

De coherentietijd van de qubits opgenomen in de gigantische atomen, wat betekent dat de tijd dat ze in een kwantumtoestand bleven, was ongeveer 30 microseconden, bijna hetzelfde voor qubits die niet aan een golfgeleider zijn gekoppeld, die een bereik hebben tussen 10 en 100 microseconden, volgens de onderzoekers.

Aanvullend, het onderzoek toont twee-qubit verstrengelingsoperaties aan met een betrouwbaarheid van 94 procent. Dit is de eerste keer dat onderzoekers een getrouwheid van twee qubits hebben geciteerd voor qubits die sterk gekoppeld waren aan een golfgeleider, omdat de betrouwbaarheid van dergelijke bewerkingen met conventionele kleine atomen vaak laag is in een dergelijke architectuur. Met meer kalibratie, operatie tune-up procedures en geoptimaliseerd hardware-ontwerp, Kannan zegt, de trouw kan verder worden verbeterd.