SEM-bild av två-qubit fluxonium-processorn. Kredit:Bao et al.
Kvantdatorer, enheter som utnyttjar kvantfenomen för att utföra beräkningar, kan så småningom hjälpa till att tackla komplexa beräkningsproblem snabbare och mer effektivt än klassiska datorer. Dessa enheter är vanligtvis baserade på grundläggande informationsenheter som kallas kvantbitar eller kvantbitar.
Forskare vid Alibaba Quantum Laboratory, en enhet inom Alibaba Groups DAMO-forskningsinstitut, har nyligen utvecklat en kvantprocessor som använder fluxonium-qubits, som hittills inte har varit det föredragna valet när man utvecklar kvantdatorer för industriteam. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , demonstrerar potentialen hos fluxonium för att utveckla högpresterande supraledande kretsar.
"Detta arbete är ett avgörande steg för oss i att främja vår kvantberäkningsforskning," sa Yaoyun Shi, chef för Alibabas kvantlaboratorium, till Phys.org. "När vi startade vårt forskningsprogram bestämde vi oss för att utforska fluxonium som byggstenen för framtida kvantdatorer, vilket avviker från det vanliga valet av transmon-qubit. Vi tror att denna relativt nya typ av supraledande qubit skulle kunna gå mycket längre än transmon."
Medan vissa tidigare studier redan hade utforskat potentialen hos kvantprocessorer baserade på fluxonium-qubits, erbjöd de flesta av dem i första hand proof of concept, som realiserades i universitetslaboratorier. För att dessa "konstgjorda atomer" ska kunna implementeras i riktiga kvantdatorer och konkurrera med transmons (d.v.s. allmänt använda qubits) skulle de dock behöva visa hög prestanda på ett brett spektrum av operationer, inom en enda enhet. Detta är just det viktigaste målet med detta arbete.
Fluxonium qubits har två egenskaper som skiljer dem från transmons:deras energinivåer är mycket mer ojämna (dvs "anharmoniska") och de använder en stor induktor för att ersätta kondensatorn som används i transmon. Båda bidrar till fluxoniums fördel, åtminstone teoretiskt, genom att vara mer motståndskraftig mot fel, vilket leder till bättre "koherens", dvs. att behålla kvantinformation under en längre tid, och "högre trohet", dvs. noggrannhet, vid realisering av elementära operationer.
"Man kan föreställa sig energinivåerna som bildar en stege," förklarade Chunqing Deng, som ledde studien. "Energigaperna är viktiga, eftersom varje kvantinstruktion har en "tonhöjd" eller frekvens, och den utlöser övergångar mellan två nivåer när tonhöjden matchar deras energigap."
När de två första energiklyftorna mellan nivåerna är stängda, som de är i transmon, kan ett "anrop" för övergången mellan de två första energinivåerna (dvs. "0" och "1" tillstånden), av misstag också utlösa övergångar mellan andra och tredje nivån. Detta kan föra tillståndet utanför det giltiga beräkningsutrymmet, vilket leder till vad som kallas ett läckagefel. I fluxonium å andra sidan är avståndet mellan det andra och tredje energi-"stegen" större, vilket minskar risken för läckagefel.
"I princip är designen av fluxonium enkel:den består av två elementära komponenter - en 'Josephson-övergång' shuntad med en stor induktor, som faktiskt liknar den hos en transmon, som är en Josephson-övergång shuntad med en kondensator," sa Chunqing. "Josephson-korsningen är den magiska komponenten som skapar anharmonicitet i första hand. Den stora induktorn är ofta, som i vårt fall, implementerad av ett stort antal (i vårt arbete, 100) Josephson-korsningar."
Byte av kondensatorn med en induktor i fluxonium tar bort "öarna" som härrör från elektroderna och källan till "laddningsljud" orsakade av elektronladdningsfluktuationer, vilket gör fluxonium mer felsäkert. Detta är dock på bekostnad av mycket mer krävande teknik, på grund av det stora utbudet av Josephson-korsningar.
Fluxoniums fördel i hög koherens kan förstärkas avsevärt för att uppnå hög gatefidelitet om grindarna använder kort tid. Sådana snabba grindar uppnås verkligen genom funktionen "avstämning" som demonstreras av forskarna. Närmare bestämt kan energigapet eller "frekvensen" mellan "0" och "1"-tillstånden snabbt ändras, så att två qubits snabbt kan bringas att vara "i resonans", det vill säga att ha samma frekvens. Att vara i resonans är när de två qubitarna utvecklas tillsammans för att realisera den mest kritiska byggstenen i en kvantdator – 2-qubit-grindar.
I de första testerna visade sig kvantplattformen som designats av Chunqing och hans kollegor uppnå en genomsnittlig enkel-qubit-gatefidelitet på 99,97% och en två-qubit-gatefidelitet på upp till 99,72%. Dessa värden är jämförbara med några av de bästa resultaten som uppnåtts av kvantprocessorer i tidigare studier. Förutom en- och två-qubit-grindar integrerade teamet också, på ett robust sätt, andra grundläggande funktioner som behövs för en digital kvantdator – återställning och utläsning.
Den 2-qubit-processor som utvecklats av detta team av forskare kan öppna nya möjligheter för användningen av fluxonium i kvantberäkningar, eftersom den avsevärt överträffade andra proof-of-concept-processorer som introducerats tidigare. Deras arbete skulle kunna inspirera andra team att utveckla liknande design och ersätta transmon med fluxonium-qubits.
"Vår studie introducerar ett alternativt val till den allmänt anpassade transmonen," sa Chunqing. "Vi hoppas att vårt arbete kommer att inspirera till mer intresse för att utforska fluxonium, så att dess fulla potential kan låsas upp för att uppnå en betydligt högre prestanda i trohet, vilket i sin tur avsevärt kommer att minska omkostnaderna för att realisera feltolerans kvantberäkningar. Vad detta betyder är att, för samma beräkningsuppgift, kan en kvantdator med högre kvalitet från fluxonium behöva betydligt färre antal qubits."
I huvudsak visade Chunqing och hans kollegor att fluxoniumbaserade processorer kunde utföra mycket kraftfullare beräkningar än transmonbaserade, med samma antal fysiska qubits. I sina nästa studier vill teamet skala upp sitt system och försöka göra det feltolerant med bibehållen hög trohet.
"We now plan to validate our hypothesis that fluxonium is indeed a much better qubit than transmon and then march towards the community's next major milestone of realizing fault-tolerance, using ultra-high fidelity flxuonium qubits," Yaoyun added. "We believe fluxonium has the potential to be more widely recognized, as we are not even close to any theoretical limit of high-fidelity operation yet. It is important to keep pushing this direction." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
