Interaction-Resilient Scalable Fluxonium Architecture with All-Microwave Gates

In de race om een kwantumcomputer te bouwen, zoeken wetenschappers voortdurend naar de beste manier om informatie op te slaan en te verwerken. De meest gebruikelijke aanpak van vandaag maakt gebruik van piepkleine circuits gemaakt van supergeleidend metaal, gekoeld tot temperaturen die kouder zijn dan de diepe ruimte. Deze circuits fungeren als kunstmatige atomen en houden kwantuminformatie vast in hun energieniveaus. Jarenlang was een specifiek ontwerp genaand de transmon de werkpaard van dit veld, omdat het relatief eenvoudig te bouwen en te besturen is. Echter, naarmate onderzoekers proberen duizenden van deze qubits aan elkaar te koppelen om complexe problemen op te lossen, lopen ze tegen een muur aan. De verbindingen die de qubits juist in staat stellen om met elkaar te communiceren, zorgen er ook voor dat ze op ongewenste manieren interfereren met hun buren, wat fouten creëert die berekeningen verruïneren. Om vooruit te komen, heeft het vakgebied een nieuw soort qubit nodig dat van nature beter bestand is tegen ruis en een nieuwe manier om ze te verbinden die de ruis buiten houdt.

Hier komt de fluxonium-qubit in beeld. In tegen tegenstelling tot zijn voorganger is de fluxonium ontworpen om uitzonderlijk stil te zijn, waardoor hij informatie veel langer vasthoudt en weerstand biedt aan de elektrische statische elektriciteit die andere ontwerpen teistert. Het heeft ongelooflijke belofingen getoond in kleine tests, waarbij het operaties met bijna perfecte nauwkeurigheid uitvoerde. Maar het bouwen van een grote machine uit fluxoniums is een moeilijke puzzel gebleven. De uitdaging is niet alleen om de qubits te laten werken, maar om ze in een rooster te rangschikken zodat ze twee-qubit-operaties kunnen uitvoeren zonder dat het signaal van één paar doorsijpelt naar het volgende. Een team onderzoekers van de National University of Science and Technology "MISIS" en het Russische Quantum Center heeft nu een volledig blauwdruk voor een dergelijke machine voorgesteld. Ze hebben een schaalbare architectuur ontworpen die microgolfpulsen gebruikt om gates tussen fluxonium-qubits te activeren, waarbij ze hoge snelheden en extreem lage foutpercentages bereiken terwijl ze het hele systeem stabiel houden.

De kern van hun ontwerp is een vierkant rooster waar de kwantumbits zich op de kruispunten bevinden, verbonden door speciale hulpcircuits die couplers worden genoemd. Deze couplers zijn gemaakt van een ander type supergeleidend circuit, waardoor ze als bruggen tussen de fluxoniums kunnen fungeren. De onderzoekers hebben een manier gevonden om deze bruggen te laten werken met enkel microgolfsignalen, die snel en gemakkelijk te besturen zijn, in plaats van constant magnetische velden aan te passen. Wanneer een microgolfpuls een coupler raakt, triggert dit een specifieke interactie tussen de twee qubits die het verbindt, wat een logische operatie uitvoert die bekend staat als een controlled-Z gate. In hun simulaties duurt deze operatie ongeveer 63 nanoseconden en maakt het minder dan één keer op de tienduizend een fout. Deze snelheid en nauwkeurigheid zijn cruciaal, maar de echte doorbraak ligt in de manier waarop zij het probleem van interferentie hebben opgelost.

In een dicht rooster van kwantumcircuits is een groot hoofdpijndossier de "parasitaire" interactie, waarbij een gate die bedoeld is voor twee specifieke qubits per ongeluk een derde, nabijgelegen qubit beïnvloedt die slechts toekijkt. Dit is als proberen een privégesprek te voeren in een drukke kamer waar iedereen je kan horen. De onderzoekers pakten dit aan door verschillende frequenties toe te wijzen aan de verschillende onderdelen van de machine. Ze plaatsten de fluxonium-qubits in een schaakbordpatroon, met twee verschillende frequentiegroepen, en gebruikten vier verschillende soorten couplers, elk afgestemd op een specifieke frequentieband. Deze frequentiescheiding zorgt ervoor dat wanneer een paar qubits aan het werk is, de anderen stil blijven en onverstoord blijven. Bovendien introduceerden ze een nieuw circuitelement, een differentiële oscillator, die fungeert als een filter om eventuele resterende langetermijninterferentie tussen componenten die geen directe buren zijn, te elimineren. Deze combinatie van frequentieplanning en extra circuitry creëert een systeem dat veerkrachtig is tegen de voorheen genoemde crosstalk die grote kwantumprocessors meestal breekt.

Een van de meest verrassende en nuttige kenmerken van dit ontwerp is het vermogen om een drie-qubit-operatie uit te voeren, een CZZ gate. In standaard kwantumfoutcorrectie, die noodzakelijk is om een computer betrouwbaar te laten draaien, moet een centrale qubit vaak tegelijkertijd de status van twee buren controleren. Normaal gesproken vereist dit het uitvoeren van twee aparte twee-qubit-gates achter elkaar, wat tijd kost en de kans op een fout verdubbelt. De nieuwe architectuur maakt het mogelijk dat deze twee controles gelijktijdig plaatsvinden in één enkele stap die slechts ongeveer 70 nanoseconden duurt. Omdat deze operatie in één keer wordt uitgevoerd in plaats van in twee stappen, vermindert het de totale tijd waarin het systeem kwetsbaar is voor fouten met ongeveer 35 procent. Dit natuurlijke vermogen om drie-qubit-controles direct af te handelen is een aanzienlijk voordeel voor het draaien van foutcorrectieprotocollen, die de ruggengraat vormen van elke fouttolerante kwantumcomputer.

De onderzoekers testten hun ideeën via gedetailleerde computersimulaties van het gehele systeem, inclusief de complexe interacties tussen alle verschillende componenten. Ze ontdekten dat zelfs met de sterke verbindingen die vereist zijn voor snelle operaties, de ongewenste interacties tussen niet-buurcomponenten tot verwaarloosbare niveaus konden worden onderdrukt. De simulaties toonden aan dat het systeem robuust blijft, zelfs als de fysieke componenten enigszins afwijken van hun ideale specificaties, een veelvoorkomend probleem bij productie. Door alle qubits gedurende het hele proces op hun meest stabiele werkpunt te houden, vermijdt het ontwerp de defasering en ruis die vaak optreden wanneer qubits constant worden afgestemd. Het resultaat is een platform dat snelle, hoogwaardige gates ondersteunt terwijl het zich van nature beschermt tegen de interferentie die de schaalbaarheid gewoonlijk beperkt.

Dit werk biedt een duidelijke weg voorwaarts voor het bouwen van grootschalige kwantumprocessors met behulp van fluxonium-qubits. Het demonstreert dat het mogelijk is om sterke, vaste verbindingen tussen qubits te hebben zonder de controle op te offeren of fatale fouten te introduceren. De strategieën die hier worden gebruikt, met name de frequentietoewijzing en het gebruik van differentiële oscillatoren om langetermijneffecten te beheersen, bieden een toolkit die ook kan worden aangepast aan andere kwantumarchitecturen. Hoewel de resultaten momenteel gebaseerd zijn op simulaties, suggereren ze dat een machine gebouwd op deze principes de complexe eisen van kwantumfoutcorrectie kan aan kunnen en algoritmen kan draaien die momenteel buiten bereik liggen. Het ontwerp verandert de uitdaging van het opschalen in een beheersbaar technisch probleem, en biedt een stille, stabiele en snelle fundering voor de volgende generatie kwantumcomputing.