Onderzoekers van Toshiba Corporation hebben een doorbraak bereikt in de architectuur van kwantumcomputers:het basisontwerp voor een dubbele-transmonkoppeling die de snelheid en nauwkeurigheid van kwantumberekening in afstembare koppelingen zal verbeteren. De koppeling is een belangrijk hulpmiddel bij het bepalen van de prestaties van supergeleidende kwantumcomputers.

Afstembare koppelaars in een supergeleidende kwantumcomputer verbinden twee qubits met elkaar en voeren kwantumberekeningen uit door de koppeling ertussen in en uit te schakelen. De huidige technologie kan de koppeling van transmon-qubits met nabije frequenties uitschakelen, maar dit is gevoelig voor overspraakfouten die optreden op een van de qubits wanneer de andere qubit wordt bestraald met elektromagnetische golven voor controle. Bovendien kan de huidige technologie de koppeling voor qubits met aanzienlijk verschillende frequenties niet volledig uitschakelen, wat resulteert in fouten als gevolg van resterende koppeling.

Toshiba heeft onlangs een dubbele transmon-koppeling bedacht die de koppeling tussen qubits met aanzienlijk verschillende frequenties volledig kan in- en uitschakelen. Volledig inschakelen maakt snelle kwantumberekeningen met sterke koppeling mogelijk, terwijl volledig uitschakelen resterende koppeling elimineert, wat de kwantumberekeningssnelheden en nauwkeurigheid verbetert. Simulaties met de nieuwe technologie hebben aangetoond dat het twee-qubit-poorten realiseert, basisbewerkingen in kwantumberekening, met een nauwkeurigheid van 99,99% en een verwerkingstijd van slechts 24 ns.

Toshiba's dubbele-transmonkoppeling kan worden toegepast op transmon-qubits met vaste frequentie, waardoor een hoge stabiliteit en ontwerpgemak wordt gerealiseerd. Het is de eerste die koppeling realiseert tussen transmon-qubits met een vaste frequentie met aanzienlijk verschillende frequenties die volledig kunnen worden in- en uitgeschakeld, en die een snelle, nauwkeurige poort met twee qubits levert.

De technologie zal naar verwachting de realisatie van krachtigere kwantumcomputers bevorderen die onder meer zullen bijdragen aan het bereiken van koolstofneutraliteit en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Details van de technologie zijn gepubliceerd in Physical Review Applied .

Ontwikkelingsachtergrond

Kwantummechanica beschrijft de onzichtbare wereld van atomen en moleculen met behulp van kwantumsuperpositietoestanden, waardoor een fysiek systeem tegelijkertijd in twee totaal verschillende toestanden lijkt te zijn. Kwantumcomputers maken gebruik van deze mysterieuze eigenschap om berekeningen uit te voeren die praktisch onmogelijk zijn met conventionele computers, een mogelijkheid die de laatste jaren veel aandacht heeft gekregen.

Quantumcomputers gebruiken qubits in kwantumsuperpositietoestanden 0 en 1 om berekeningen uit te voeren. Elke kwantumberekening wordt uitgevoerd met twee basisbewerkingen, single-qubit-poorten en twee-qubit-poorten. Om hoogwaardige kwantumcomputers te realiseren, hebben we snelle en nauwkeurige poortoperaties nodig.

De ontwikkeling van kwantumcomputers wordt wereldwijd gepromoot, en dit heeft geleid tot de goedkeuring van meerdere benaderingen, met voorstellen variërend van de manipulatie van enkele atomen of ionen tot het gebruik van halfgeleiders en supergeleidende circuits. De supergeleidende circuitbenadering wordt nu gezien als een voordeel in termen van het realiseren van kwantumsuperpositietoestanden in grote circuits, en in het relatieve gemak van het bereiken van de sterke koppeling van qubits die essentieel zijn voor de snelle uitvoering van twee-qubit-poorten.

Het koppelen van qubits gebeurt met een coupler. Tot voor kort waren de steunpilaren vaste koppelingen met een constante koppelingssterkte, maar nu gaat de aandacht naar afstembare koppelingen, die worden gezien als de instelbare koppelingssterkte die nodig is om de prestaties te verbeteren.

Afstembare koppelingen voldoen aan tegenstrijdige eisen:een snelle poort van twee qubits met sterke koppeling, samen met de mogelijkheid om fouten door resterende koppeling te verminderen door de koppeling uit te schakelen. Het verdient ook de voorkeur dat de qubit die in berekeningen wordt gebruikt een transmon-qubit met vaste frequentie is, die zeer stabiel is, een eenvoudige structuur heeft en gemakkelijk te fabriceren is.

Bovendien moet de frequentie van de twee qubits die zijn gekoppeld aanzienlijk verschillen, omdat dit overspraakfouten vermindert en robuust is tegen afwijkingen van de ontwerpwaarden van qubit-frequenties, waardoor de opbrengsten bij de fabricage van apparaten worden verbeterd. Het probleem hier is echter dat nog geen afstembare koppelaar in staat is geweest om volledige ontkoppeling en snelle twee-qubit-poortbewerkingen te combineren voor twee transmon-qubits met vaste frequentie met aanzienlijk verschillende frequenties.

Kenmerken van de nieuwe technologie

Toshiba-onderzoekers hebben een dubbele transmon-koppeling bedacht, 's werelds eerste afstembare koppeling die zowel de koppeling volledig kan uitschakelen als de twee qubit-poorten op hoge snelheid kan bedienen voor twee transmon-qubits met vaste frequentie en aanzienlijk verschillende frequenties.

De dubbele transmon-koppeling omvat twee transmon-qubits met vaste frequentie, samen met twee andere transmon-qubits met vaste frequentie die worden gebruikt voor berekeningen. De dubbele-transmonkoppeling heeft één lus en de drie x'en op de lus vertegenwoordigen twee transmon Josephson-overgangen en een extra Josephson-overgang. De magnetische flux in de lus, Φex, kan worden afgestemd door een extern magnetisch veld om de koppelingssterkte tussen de qubits aan beide zijden op exact nul te brengen, waardoor de koppeling volledig wordt uitgeschakeld.

De koppelingssterkte kan ook worden verhoogd tot enkele tientallen megahertz door de magnetische flux te vergroten, waardoor snelle poortbewerkingen van twee qubits worden gerealiseerd. Simulaties hebben aangetoond dat gate-operaties met een nauwkeurigheid van 99,99% mogelijk zijn, met gate-tijden van slechts 24 ns. De koppeling zal dus naar verwachting bijdragen aan kwantumcomputers met hogere prestaties. + Verder verkennen

Een alternatieve supergeleidende qubit levert hoge prestaties voor kwantumcomputers