In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , beschreven Peter A. Spring en een team van natuurkundigen aan de Universiteit van Oxford qubit-coherentie en lage overspraak en single-qubit poortfouten in supergeleidende qubit-architectuur, geschikt voor tweedimensionale (2D) roosters van qubits. De experimentele opstelling omvatte een inductief overbrugde holtebehuizing met niet-galvanische, out-of-plane besturingsbedrading, qubits en resonatoren gefabriceerd aan weerszijden van een substraat. De wetenschappers ontwikkelden een proof-of-concept-apparaat met vier ontkoppelde transmon-qubits, d.w.z. een supergeleidende geladen qubit met verminderde gevoeligheid voor laadruis, om specifieke kenmerken te vertonen die zijn gemeten via gelijktijdige gerandomiseerde benchmarking. Door de driedimensionale geïntegreerde aard van de besturingsbedrading kon de qubit adresseerbaar blijven omdat de architectuur grotere qubit-roosters vormde.

Quantum architect

Inspanningen om driedimensionale (3D) roosters te bouwen met een groot aantal zeer coherente qubits ingesloten, vormen een uitstekende hardware-uitdaging. Onderzoekers hebben eerder supergeleidende circuits ontwikkeld als een veelbelovend platform om dergelijke roosters te realiseren en een universele poortset te vormen. Doorgaans moet aan twee reeksen vereisten worden voldaan om dergelijke supergeleidende roosters te schalen, waaronder een methode om besturingsbedrading naar het circuit te leiden, waardoor alle qubits adresseerbaar en meetbaar blijven, terwijl wordt voorkomen dat laagfrequente valse modi in het circuit met toenemende afmetingen verschijnen. Het schaalproces moet ook decoherentiekanalen naar qubits voorkomen en compatibel zijn met gate-getrouwheden die de drempel van kwantumfoutcorrectiecodes overschrijden. Natuurkundigen hadden eerder de bedradingslimieten van edge-connected circuits overwonnen via 3D-geïntegreerde besturingsbedrading als een praktische oplossing. Als alternatief kunnen circuits worden ingesloten in inductief overbrugde holtes in twee dimensies met een afsnijfrequentie naar holtemodi. Spring et al. presenteerden experimentele resultaten met betrekking tot het laatste concept op een vier-qubit proof-of-principle-circuit, waarbij de circuitarchitectuur 3D-geïntegreerde out-of-plane besturingsbedrading, qubits en uitleesresonatoren bevatte die aan weerszijden van een substraat waren gefabriceerd. Het team heeft ook een belangrijke nieuwe functie toegevoegd voor compatibiliteit met transmoncoherentietijden, meer dan 100 µs, lage overspraak en single-qubit gate-fouten.

De onderzoekers verkregen afbeeldingen van de behuizing en het circuit van de holte, waarbij de basis van de behuizing een enkele centrale "pilaar" en een deksel met een bijpassende cilindrische uitsparing gevuld met een bal van indium bevatte. Ze rangschikten de vier coaxiale transmon-qubits in een 2 x 2 rooster met een tussenruimte van 2 mm en implementeerden vervolgens een out-of-plane bedradingsontwerp met inductief shuntontwerp en een circuitlay-out, waarbij elke resonator coaxiaal was uitgelijnd met, en capacitief gekoppeld, naar een qubit. Door de opstelling konden de qubit-elektroden "elektrisch zwevend" zijn. Het team verkreeg de basiscircuitparameters en karakteriseerde overspraak van het apparaat, waarbij het apparaat een proof-of-principle demonstratie was van de circuitarchitectuur zonder opzettelijke koppelingen, behalve tussen qubit-resonatorparen. Als resultaat identificeerden Spring et al alle andere koppelingen als ongewenste overspraak. Het team definieerde vervolgens de termen van overspraak en vatte de experimentele en gesimuleerde parasitaire transversale koppelingen in het apparaat samen, gevolgd door experimentele metingen van de selectiviteit van de qubit-regellijn en de selectiviteit van de resonatorregellijn. Ze maten ook de parasitaire qubit-resonatorkoppeling om de parasitaire dispersieve verschuiving tussen qubit en resonator te begrijpen. Gevolgd door single-qubit gerandomiseerde benchmarking uitgevoerd op alle vier qubits afzonderlijk en gelijktijdig. Het team voerde elk van de 31 x 80 experimenten 5.000 keer uit om statistieken op te bouwen en presenteerde de resulterende fout-per-fysieke poorten, en voerde ook gecorreleerde gerandomiseerde benchmarking uit op basis van gelijktijdige experimentele gegevens. Voor bandstructuursimulaties analyseerden Spring et al. het hoogfrequente structuursimulatormodel van een eenheidscel met ideale afmetingen van het centrale gebied van 2 mm x 2 mm van het apparaat. Vervolgens brachten ze de bandstructuur in kaart tijdens simulaties terwijl ze details verzamelden over de analytische afsnijfrequentie, bandkromming en plasmahuid- en dieptevoorspellingen binnen de opstelling.

Vooruitzichten

Op deze manier analyseerden Peter A. Spring en collega's gemiddelde qubit-coherentietijden en gelijktijdige single-qubit gate-getrouwheden in een vier-qubit-demonstratie van een 3D-supergeleidende circuitarchitectuur. Voorafgaand aan de opname van qubit-koppelingscircuits onderdrukte het team de resterende overspraak van de opstelling sterk. Het beoogde geoptimaliseerde apparaat is toepasbaar om gecorreleerde fouten te bestuderen die worden gegenereerd door hoogenergetische straling in roosters van qubits met hoge coherentie en exponentieel onderdrukte overspraak. De huidige architectuur bevatte een inductief overbrugde holtebehuizing die het circuit strak omhulde, gecombineerd met 3D-geïntegreerde out-of-plane besturingsbedrading en resonatoren met uitlezing aan de achterkant. De resultaten benadrukten de lage overspraak van de experimentele opstelling. Het behuizingspakket is herbruikbaar door de indiumbol in de dekseluitsparing te hervormen; het circuit was echter niet verbonden met de behuizing en kon daarom niet worden verwijderd en opnieuw worden gemonteerd. De wetenschappers benadrukten verschillende tekortkomingen van het gepresenteerde apparaat, waaronder de kleine en variabele externe resonator-vervalsnelheden en dispersieve verschuivingen die niet optimaal waren voor qubit-uitlezingen. Lente et al. schreef de toegenomen samenhang in de opzet toe aan het fabricageproces, dat verschilde van eerdere implementaties van de architectuur. + Verder verkennen

Snellere techniek voor het resetten van quantumcircuits voorgesteld

© 2022 Science X Network