Forskare vid Toshiba Corporation har uppnått ett genombrott inom kvantdatorarkitektur:den grundläggande designen för en dubbeltransmonkopplare som kommer att förbättra hastigheten och noggrannheten för kvantberäkningar i avstämbara kopplare. Kopplingen är en nyckelanordning för att bestämma prestandan hos supraledande kvantdatorer.

Avstämbara kopplare i en supraledande kvantdator länkar två kvantbitar och utför kvantberäkningar genom att slå på och av kopplingen mellan dem. Nuvarande teknologi kan stänga av kopplingen av transmon-qubits med nära frekvenser, men detta är benäget att överhöra fel som uppstår på en av qubitarna när den andra qubiten bestrålas med elektromagnetiska vågor för kontroll. Dessutom kan nuvarande teknik inte helt stänga av kopplingen för qubits med signifikant olika frekvenser, vilket resulterar i fel på grund av kvarvarande koppling.

Toshiba har nyligen tagit fram en dubbeltransmonkopplare som helt kan slå på och av kopplingen mellan qubits med väsentligt olika frekvenser. Helt påslagning möjliggör kvantberäkningar med hög hastighet med stark koppling, medan helt avstängning eliminerar kvarvarande koppling, vilket förbättrar kvantberäkningshastigheter och noggrannhet. Simuleringar med den nya tekniken har visat att den realiserar två-qubit-grindar, grundläggande operationer i kvantberäkningar, med en noggrannhet på 99,99 % och en bearbetningstid på endast 24 ns.

Toshibas dubbeltransmonkopplare kan appliceras på överföringsqubits med fast frekvens, vilket ger hög stabilitet och enkel design. Det är den första som realiserar koppling mellan överföringsqubits med fast frekvens med avsevärt olika frekvenser som helt kan slås på och av, och att leverera en höghastighets, exakt två-qubit-grind.

Tekniken förväntas främja realiseringen av kvantdatorer med högre prestanda som kommer att bidra inom områden som uppnåendet av koldioxidneutralitet och utvecklingen av nya läkemedel. Detaljer om tekniken publicerades i Physical Review Applied .

Utvecklingsbakgrund

Kvantmekaniken beskriver den osynliga världen av atomer och molekyler med hjälp av kvantöverlagringstillstånd, vilket gör att ett fysiskt system kan se ut att vara i två helt olika tillstånd samtidigt. Kvantdatorer använder denna mystiska egenskap för att utföra beräkningar som är praktiskt taget omöjliga med konventionella datorer, en förmåga som har väckt stor uppmärksamhet de senaste åren.

Kvantdatorer använder qubits i kvantöverlagringstillstånden 0 och 1 för att utföra beräkningar. Varje kvantberäkning exekveras med två grundläggande operationer, en-qubit-grindar och två-qubit-grindar. För att realisera högpresterande kvantdatorer behöver vi snabba och exakta grindoperationer.

Utveckling av kvantdatorer främjas över hela världen, och detta har lett till antagandet av flera tillvägagångssätt, med förslag som sträcker sig från manipulering av enstaka atomer eller joner till användning av halvledare och supraledande kretsar. Tillvägagångssättet med supraledande kretsar anses nu ha en fördel när det gäller att realisera kvantöverlagringstillstånd i stora kretsar, och i den relativa lättheten att uppnå den starka kopplingen av qubits som är nödvändiga för höghastighetsexekvering av två-qubit-grindar.

Koppling av qubits görs med en koppling. Fram till nyligen har stödanordningarna varit fasta kopplingar med konstant kopplingsstyrka, men uppmärksamheten riktas nu mot avstämbara kopplingar, som anses erbjuda den justerbara kopplingsstyrkan som krävs för att förbättra prestandan.

Avstämbara kopplingar uppnår motsägelsefulla krav:en snabb två-qubit-grind med stark koppling, tillsammans med förmågan att minska fel från kvarvarande koppling genom att stänga av kopplingen. Det är också att föredra att qubiten som används i beräkningar är en transmon-qubit med fast frekvens, som är mycket stabil, har en enkel struktur och är lätt att tillverka.

Dessutom bör frekvensen för de två qubits som kopplas vara signifikant olika, eftersom detta minskar överhörningsfel och är robust mot avvikelser från designvärdena för qubit-frekvenser, vilket förbättrar utbytet vid enhetstillverkning. Problemet här är dock att ingen avstämbar kopplare ännu har kunnat kombinera fullständig off-coupling och snabba två-qubit-grindoperationer för två transmon-qubits med fast frekvens med signifikant olika frekvenser.

Den nya teknikens funktioner

Toshiba-forskare har tagit fram en dubbeltransmonkopplare, världens första avstämbara kopplare som både kan stänga av kopplingen helt och driva de två qubit-grindarna med hög hastighet för två transmon-qubits med fast frekvens med väsentligt olika frekvenser.

Den dubbla transmonkopplaren innefattar två transmon-qubits med fast frekvens, tillsammans med två andra transmon-qubits med fast frekvens som används för beräkning. Dubbeltransmonkopplaren har en slinga, och de tre x:en på slingan representerar två transmon Josephson-övergångar och ytterligare en Josephson-övergång. Det magnetiska flödet i slingan, Φex, kan avstämmas av ett externt magnetfält för att bringa kopplingsstyrkan mellan qubits på båda sidor till exakt noll, vilket helt stänger av kopplingen.

Kopplingsstyrkan kan också ökas till flera tiotals megahertz genom att öka det magnetiska flödet, vilket realiserar snabba två-qubit-grindoperationer. Simuleringar har visat att grindoperationer med en noggrannhet på 99,99 % är möjliga, med grindtider så korta som 24 ns. Kopplaren förväntas alltså bidra till kvantdatorer med högre prestanda. + Utforska vidare

En alternativ supraledande qubit ger hög prestanda för kvantberäkning