Parametric two-qubit gates via Landau-Zener interference
Dit artikel stelt een snelle, afstembare twee-qubit-poort voor en demonstreert deze experimenteel, gebaseerd op Landau-Zener-interferentie, die werkt op zowel modulaire chiplet- als monolithische transmon-architecturen, wat een unieke oplossing biedt voor het multiplexen van controle en het interconnecteren van supergeleidende kwantumprocessors.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Om een computer te bouwen die problemen kan oplossen die buiten het bereik van elke machine van vandaag liggen, wenden wetenschappers zich tot de vreemde regels van de kwantummechanica. Ze proberen processors te construeren met behulp van minuscule circuits die zich gedragen als atomen, die informatie vasthouden in toestanden die in meerdere mogelijkheden tegelijk kunnen bestaan. Deze circuits, bekend als supergeleidende qubits, zijn de belangrijkste kandidaten voor het bouwen van een dergelijke machine. Om deze computers echter te laten werken, moeten de individuele qubits in staat zijn om met elkaar te communiceren, door informatie uit te wisselen om berekeningen uit te voeren. Dit gesprek vindt plaats via een twee-qubit-poort, een mechanisme dat twee qubits verbonden houdt om even te interageren en ze daarna weer loslaat. De uitdaging is dat deze interacties ongelooflijk snel en precies moeten zijn, maar ze mogen niet plaatsvinden wanneer ze niet gewenst zijn, anders gaat de delicate kwantuminformatie verloren aan de omgevingsruis. Jarenlang was de standaardmanier om dit te beheren het gebruik van een vaste, passieve verbinding die wordt aan- en uitgezet door microgolven, of door de energie van de qubits langzaam te verschuiven. Hoewel effectief, hebben deze methoden vaak moeite met snelheid of vereisen ze complexe, rigide controleschema's die beperken hoeveel qubits er in een enkele processor verbonden kunnen worden.
Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze qubits te laten praten, een manier die sneller en flexibeler is dan eerdere methoden. Ze bouwden een systeem waarbij drie qubits in een lijn zijn gerangschikt: twee aan de uiteinden die de gegevens vasthouden, en één in het midden die fungeert als een brug. In plaats van microgolven te gebruiken om een verbinding te triggeren, duwen ze het middelste qubit ritmisch heen en weer in energie, waardoor het gedwongen wordt om herhaaldelijk paden te kruisen met de twee data-qubits. Terwijl het middelste qubit langs de anderen strijkt, creëert het een kwantuminterferentiepatroon, vergelijkbaar met hoe lichtgolven elkaar kunnen uitdoven of versterken wanneer ze samenkomen. Door de timing van deze kruisingen zorgvuldig af te stemmen, ontdekten de onderzoekers dat ze de informatie van het ene uiteinde-qubit naar het andere konden laten springen, waarbij het middelste brug-qubit exact zo achterblijft als het begon. Dit proces, dat steunt op een fenomeen dat bekend staat als Landau-Zener-transities, stelt hen in staat om de snelheid en timing van de interactie af te stemmen over een breed bereik van frequenties, van zeer traag tot honderden miljoenen cycli per seconde.
De onderzoekers testten dit idee op twee verschillende soorten supergeleidende hardware. De eerste was een modulair ontwerp waarbij de qubits op aparte chips waren gebouwd en met elkaar verbonden waren, terwijl de tweede een enkel, solide stuk materiaal was met alle componenten op één oppervlak. In beide gevallen slaagden ze erin om kwantuminformatie van de ene data-qubit naar de andere te verplaatsen. Wanneer ze het systeem afstemden op het juiste ritme, wisselden de data-qubits volledig van staat, terwijl het middelste brug-qubit terugkeerde naar zijn oorspronkelijke staat, waardoor het effectief fungeerde als een perfecte boodschapper. Het team toonde aan dat ze deze wisseling konden bereiken op bijna elke frequentie die ze kozen, simpelweg door de sterkte en de timing van de duw op het middelste qubit aan te passen. Deze flexibiliteit is een aanzienlijke afwijking van oudere methoden, die vaak vastzitten in een nauw bereik van frequenties. In hun experimenten waren de onderzoekers in staat om deze wisselingen in slechts een paar honderd nanoseconden te voltooien, een snelheid die de theoretische limiet nadert die wordt bepaald door hoe sterk de qubits met elkaar verbonden zijn.
Een van de meest opvallende aspecten van dit werk is dat de data-qubits zelf nooit door een controlesignaal aangeraakt hoeven te worden. Ze kunnen rustig in hun meest stabiele posities blijven zitten, veilig voor elektrische ruis, terwijl het middelste qubit al het werk doet van het transporteren van informatie. Dit is een cruciaal voordeel voor het opschalen van kwantumcomputers, aangezien het betekent dat de delicate data-qubits niet constant bestookt hoeven te worden met controlepulsen die hun staat kunnen verstoren. De onderzoekers ontdekten ook dat ze door het proces halverwege te stoppen, verstrengelde paren van qubits konden creëren, een speciale staat waarin twee deeltjes verbonden raken op een manier die de klassieke fysica tart. Deze capaciteit suggereert dat de methode niet alleen gebruikt kan worden voor het wisselen van informatie, maar ook voor het genereren van de complexe kwantumtoestanden die nodig zijn voor geavanceerde berekeningen.
Het team mat de nauwkeurigheid van deze wisselingen en stelde vast dat deze zeer betrouwbaar waren, waarbij de informatie in ongeveer 98 procent van de gevallen correct werd overgedragen tijdens hun snelste tests. Ze merkten op dat dit aantal momenteel wordt beperkt door hoe lang de qubits hun staat kunnen vasthouden voordat natuurlijke omgevingsruis ervoor zorgt dat ze hun coherentie verliezen. Hun simulaties suggereren echter dat als de hardware zou worden verbeterd om staten langer vast te houden, de nauwkeurigheid bijna 99,9 procent zou kunnen bereiken. Dit prestatieniveau, gecombineerd met de mogelijkheid om de snelheid en frequentie van de poort 'on the fly' af te stemmen, biedt een veelbelovend pad voor het verbinden van grote aantallen qubits in toekomstige kwantumprocessors. Door te bewijzen dat deze op interferentie gebaseerde methode werkt op twee zeer verschillende hardwareplatforms, hebben de onderzoekers aangetoond dat het een robuust en veelzijdig instrument is voor de volgende generatie kwantumcomputing.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.