Onderzoek uitgevoerd binnen de Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" (ML4Q) heeft geavanceerde apparaatstructuren van kwantumcomputers geanalyseerd om aan te tonen dat sommige van hen inderdaad gevaarlijk dicht bij een drempel van chaotische ineenstorting werken. De uitdaging is om een ​​dunne lijn te bewandelen tussen een te hoge, maar ook een te lage stoornis om de werking van het apparaat te waarborgen. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Nature Communications .

In de race naar wat een belangrijke toekomstige technologie zou kunnen worden, investeren techreuzen zoals IBM en Google enorme middelen in de ontwikkeling van kwantumcomputerhardware. De huidige platforms zijn echter nog niet klaar voor praktische toepassingen. Er blijven meerdere uitdagingen, waaronder de beheersing van onvolkomenheden in het apparaat ("stoornis").

Het is een oude stabiliteitsvoorzorgsmaatregel:wanneer grote groepen mensen bruggen oversteken, moeten ze voorkomen dat ze in de pas lopen om te voorkomen dat de vorming van resonanties de constructie destabiliseert. Misschien contra-intuïtief, vertrouwt de supergeleidende transmon qubit-processor - een technologisch geavanceerd platform voor kwantumcomputing dat favoriet is bij IBM, Google en andere consortia - op hetzelfde principe:opzettelijk geïntroduceerde wanorde blokkeert de vorming van resonerende chaotische fluctuaties en wordt zo een essentieel onderdeel van de productie van multi-qubit-processors.

Om dit schijnbaar paradoxale punt te begrijpen, moet men een transmon-qubit beschouwen als een soort slinger. Qubits die met elkaar zijn verbonden om een ​​rekenstructuur te vormen, definiëren een systeem van gekoppelde slingers - een systeem dat, net als klassieke slingers, gemakkelijk kan worden opgewekt tot oncontroleerbare grote oscillaties met rampzalige gevolgen. In de kwantumwereld leiden dergelijke oncontroleerbare oscillaties tot de vernietiging van kwantuminformatie; de computer onbruikbaar wordt. Opzettelijk geïntroduceerde lokale 'ontstemmingen' van enkele slingers houden dergelijke verschijnselen op afstand.

"De transmon-chip tolereert niet alleen, maar vereist ook effectief willekeurige onvolkomenheden van qubit-naar-qubit-apparaten", legt Christoph Berke uit, laatstejaars doctoraatsstudent in de groep van Simon Trebst aan de Universiteit van Keulen en eerste auteur van het artikel. "In ons onderzoek vragen we ons af hoe betrouwbaar het 'stability by randomness'-principe in de praktijk is. Door state-of-the-art diagnostiek van de theorie van ongeordende systemen toe te passen, konden we ontdekken dat ten minste enkele van de industrieel nagestreefde systeemarchitecturen zijn gevaarlijk dicht bij instabiliteit."

Vanuit het oogpunt van fundamentele kwantumfysica is een transmonprocessor een kwantumsysteem met meerdere lichamen met gekwantiseerde energieniveaus. State-of-the-art numerieke tools maken het mogelijk om deze discrete niveaus te berekenen als een functie van relevante systeemparameters, om patronen te verkrijgen die oppervlakkig lijken op een wirwar van gekookte spaghetti. Een zorgvuldige analyse van dergelijke structuren voor realistisch gemodelleerde Google- en IBM-chips was een van de vele diagnostische hulpmiddelen die in de paper werden toegepast om een ​​stabiliteitsdiagram voor transmon-quantumcomputing in kaart te brengen.

"Toen we Google vergeleken met de IBM-chips, ontdekten we dat in het laatste geval qubit-statussen kunnen worden gekoppeld in een mate dat gecontroleerde poortoperaties in gevaar kunnen komen", zegt Simon Trebst, hoofd van de Computational Condensed Matter Physics-groep aan de universiteit van Keulen. Om gecontroleerde poortoperaties te beveiligen, moet men dus de subtiele balans vinden tussen het stabiliseren van de qubit-integriteit en het mogelijk maken van inter-qubit-koppeling. In het spraakgebruik van pastabereiding, moet men de kwantumcomputerprocessor tot in de perfectie voorbereiden, de energietoestanden 'al dente' houden en voorkomen dat ze in de knoop raken door te gaar te worden.

De studie van wanorde in transmon-hardware werd uitgevoerd als onderdeel van de Cluster of Excellence ML4Q in een samenwerkingsverband tussen de onderzoeksgroepen van Simon Trebst en Alexander Altland aan de Universiteit van Keulen en de groep van David DiVincenzo aan de RWTH Aachen University en Forschungszentrum Jülich. "Dit samenwerkingsproject is vrij uniek", zegt Alexander Altland van het Instituut voor Theoretische Fysica in Keulen. "Onze complementaire kennis van transmon-hardware, numerieke simulatie van complexe veellichamensystemen en kwantumchaos was de perfecte voorwaarde om te begrijpen hoe kwantuminformatie met wanorde kan worden beschermd. Het geeft ook aan hoe inzichten verkregen voor kleine referentiesystemen kunnen worden overgedragen naar toepassing -relevante ontwerpschalen."

David DiVincenzo, oprichter en directeur van het JARA-Instituut voor Quantum Informatie aan de RWTH Aachen University, trekt de volgende conclusie:"Onze studie toont aan hoe belangrijk het is voor hardwareontwikkelaars om apparaatmodellering te combineren met state-of-the-art quantum randomness-methodologie en om 'chaosdiagnostiek' te integreren als een routineonderdeel van het ontwerp van de qubit-processor in het supergeleidende platform." + Verder verkennen

Eerste hybride kwantumbit gebaseerd op topologische isolatoren