Kwantumcomputers, apparaten die kwantumverschijnselen gebruiken om berekeningen uit te voeren, kunnen uiteindelijk helpen om complexe rekenproblemen sneller en efficiënter aan te pakken dan klassieke computers. Deze apparaten zijn gewoonlijk gebaseerd op basisinformatie-eenheden die bekend staan ​​als kwantumbits of qubits.

Onderzoekers van Alibaba Quantum Laboratory, een onderdeel van het DAMO-onderzoeksinstituut van Alibaba Group, hebben onlangs een kwantumprocessor ontwikkeld met behulp van fluxoniumqubits, die tot nu toe niet de voorkeur hebben gehad bij het ontwikkelen van kwantumcomputers voor industriële teams. Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters , demonstreert het potentieel van fluxonium voor het ontwikkelen van hoogpresterende supergeleidende circuits.

"Dit werk is een cruciale stap voor ons in het bevorderen van ons onderzoek naar kwantumcomputers", vertelde Yaoyun Shi, directeur van Alibaba's Quantum Laboratory, aan Phys.org. "Toen we ons onderzoeksprogramma startten, besloten we om fluxonium te onderzoeken als de bouwsteen voor toekomstige kwantumcomputers, in afwijking van de reguliere keuze van de transmon-qubit. We geloven dat dit relatief nieuwe type supergeleidende qubit veel verder zou kunnen gaan dan transmon."

Hoewel sommige eerdere studies het potentieel van kwantumprocessors op basis van fluxoniumqubits al hadden onderzocht, boden de meeste ervan voornamelijk proofs of concept, die werden gerealiseerd in universitaire laboratoria. Om deze "kunstmatige atomen" te implementeren in echte kwantumcomputers en te concurreren met transmons (d.w.z. veelgebruikte qubits), moeten ze echter hoge prestaties leveren op een breed scala aan bewerkingen, binnen een enkel apparaat. Dit is precies het hoofddoel van dit werk.

Fluxonium-qubits hebben twee kenmerken die het onderscheiden van transmonen:hun energieniveaus zijn veel ongelijker (d.w.z. "anharmonisch") en ze gebruiken een grote inductor om de condensator die in transmon wordt gebruikt te vervangen. Beide dragen bij aan het voordeel van fluxonium, althans theoretisch, dat het beter bestand is tegen fouten, wat leidt tot een betere "coherentie", d.w.z. het langer vasthouden van kwantuminformatie, en "hogere betrouwbaarheid", d.w.z. nauwkeurigheid, bij het realiseren van elementaire bewerkingen.

"Je kunt je de energieniveaus voorstellen die een ladder vormen", legt Chunqing Deng, die de studie leidde, uit. "De energiehiaten zijn belangrijk, omdat elke kwantuminstructie een 'pitch' of frequentie heeft, en het activeert overgangen tussen twee niveaus wanneer de toonhoogte overeenkomt met hun energiehiaten."

In wezen, wanneer de eerste twee energiekloven tussen niveaus zijn gesloten, zoals ze in transmon zijn, kan een "oproep" voor de overgang tussen de eerste twee energieniveaus (d.w.z. "0" en "1" toestanden), per ongeluk ook overgangen veroorzaken tussen het tweede en derde niveau. Dit kan de toestand buiten de geldige rekenruimte brengen, wat leidt tot wat bekend staat als een lekfout. In fluxonium daarentegen is de afstand tussen de tweede en derde energie "stap" groter, wat het risico op lekkagefouten vermindert.

"In principe is het ontwerp van fluxonium eenvoudig:het bestaat uit twee elementaire componenten - een 'Josephson-junctie' die is overbrugd met een grote inductor, die in feite vergelijkbaar is met die van een transmon, een Josephson-overgang die is overbrugd met een condensator," zei Chunqing. "De Josephson-junctie is de magische component die in de eerste plaats anharmoniciteit creëert. De grote inductor wordt vaak, zoals ook in ons geval, geïmplementeerd door een groot aantal (in ons werk, 100) Josephson-juncties."

Door de condensator te vervangen door een inductor in fluxonium, worden de "eilanden" verwijderd die het gevolg zijn van de elektroden en de bron van "ladingsruis" die wordt veroorzaakt door fluctuaties in de elektronlading, waardoor fluxonium beter bestand is tegen fouten. Dit gaat echter ten koste van veel veeleisender engineering, vanwege het grote aantal Josephson-knooppunten.

Het voordeel van Fluxonium in hoge coherentie kan enorm worden versterkt voor het bereiken van hoge poortgetrouwheid als de poorten een korte tijd gebruiken. Dergelijke snelle poorten worden inderdaad bereikt door de "afstembaarheid" -functie die door de onderzoekers is gedemonstreerd. Om precies te zijn, de energiekloof of "frequentie" tussen de "0"- en "1"-toestanden kan snel worden gewijzigd, zodat twee qubits snel "in resonantie" kunnen worden gebracht, dat wil zeggen dezelfde frequentie hebben. In resonantie zijn de twee qubits samen evolueren om de meest kritische bouwsteen van een kwantumcomputer te realiseren:2-qubit-poorten.

Bij de eerste tests bleek het door Chunqing en zijn collega's ontworpen kwantumplatform een ​​gemiddelde poortgetrouwheid van één qubit van 99,97% en een poortgetrouwheid van twee qubits tot 99,72% te bereiken. Deze waarden zijn vergelijkbaar met enkele van de beste resultaten die door kwantumprocessors in eerdere onderzoeken zijn behaald. Naast poorten met één en twee qubits, integreerde het team op een robuuste manier ook andere basisbewerkingen die nodig zijn voor een digitale kwantumcomputer:reset en uitlezen.

De 2-qubit-processor die door dit team van onderzoekers is ontwikkeld, zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het gebruik van fluxonium in kwantumcomputing, omdat deze aanzienlijk beter presteerde dan andere proof-of-concept-processors die in het verleden zijn geïntroduceerd. Hun werk zou andere teams kunnen inspireren om soortgelijke ontwerpen te ontwikkelen, waarbij transmon wordt vervangen door fluxonium-qubits.

"Onze studie introduceert een alternatieve keuze voor de algemeen aangepaste transmon," zei Chunqing. "We hopen dat ons werk meer interesse zal wekken in het verkennen van fluxonium, zodat het volledige potentieel kan worden ontgrendeld om een ​​aanzienlijk hogere betrouwbaarheid te bereiken, wat op zijn beurt de overhead van het realiseren van kwantumcomputers met fouttolerantie aanzienlijk zal verminderen. Wat dit betekent is dat voor dezelfde rekentaak een fluxonium-kwantumcomputer met een hogere betrouwbaarheid mogelijk aanzienlijk minder qubits nodig heeft."

In wezen toonden Chunqing en zijn collega's aan dat op fluxonium gebaseerde processors veel krachtigere berekeningen konden uitvoeren dan op transmon gebaseerde, met hetzelfde aantal fysieke qubits. In hun volgende onderzoeken wil het team hun systeem opschalen en proberen het fouttolerant te maken met behoud van een hoge betrouwbaarheid.

"We now plan to validate our hypothesis that fluxonium is indeed a much better qubit than transmon and then march towards the community's next major milestone of realizing fault-tolerance, using ultra-high fidelity flxuonium qubits," Yaoyun added. "We believe fluxonium has the potential to be more widely recognized, as we are not even close to any theoretical limit of high-fidelity operation yet. It is important to keep pushing this direction." + Verder verkennen

Laser annealing transmon qubits for high-performance superconducting quantum processors

© 2022 Science X Network