Exempel på en LASIQ-glödgningsprocess. (A) Kontur av lasertrimningsinställningen (23). En 532-nm andra övertonsgenerationslaser fokuseras sekventiellt på korsningarna av en multiqubit kvantprocessor, med termisk glödgning för att selektivt minska kvantbitsfrekvenser (f01) för att undvika kollisioner. (B) Exempel på ett avstämt 27-qubit Falcon-gitter. Slutligt förutsagt f01 avbildas som en värmekarta, med initiala högriskkollisionspar av NN markerade och orange konturer som indikerar initial f01 ovanför bandbredden för Purcell-skyddet. Efter LASIQ är kollisions- och frekvensbegränsningar lösta. (C) Detalj av qubit-glödgning. Den nedre panelen indikerar initial (röd) och slutlig (blå) förutspådd f01 som visar qubits inställda till distinkta frekvensbörvärden. Den mittersta panelen indikerar avstämningsavståndet (monotona negativa skift), tillsammans med de önskade målskiftena (lila diamanter), med en RMS-avvikelse (dvs. frekvensekvivalent resistansavstämningsprecision) på 4,8 MHz, som bestämt från empiriska f01(Rn) korrelationer. Den övre panelen visar motsvarande växlingar i korsningsmotståndet, vilket uppnår inställningsområden upp till 14,2 %. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Kvantfysiker strävar efter att skala antalet kvantbitar under kvantberäkning, samtidigt som de bibehåller kvantportar med hög trohet; detta är en utmanande uppgift på grund av de exakta frekvenskrav som följer med processen. Supraledande kvantprocessorer med mer än 50 qubits är för närvarande aktivt tillgängliga och dessa fasta frekvenstransmoner är attraktiva på grund av deras långa koherens och brusimmunitet. En transmon är en typ av en supraledande laddnings-qubit designad för att ha minskad känslighet för laddningsbrus. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Eric J. Zhang och ett team av forskare vid IBM Quantum, IBM T.J. Watson Research Centre, New York, USA, använde laserglödgning för att selektivt ställa in transmon-qubits till de önskade frekvensmönstren. Forskargruppen uppnådde en avstämningsprecision på 18,5 MHz, utan någon mätbar inverkan på kvantkoherensen, och föreställer sig att underlätta selektiv glödgning på detta sätt för att spela en central roll i arkitekturer med fast frekvens.
Laserglödgning av stokastiskt försämrade qubits (LASIQ)
Multi-qubit-system kan byggas på supraledande krets kvantelektrodynamiska arkitekturer för en mängd olika applikationer, inklusive implementering av Shors factoringalgoritm, kvantkemi simuleringar och maskininlärning. Forskare har också använt måttet kvantvolym för att spåra den kontinuerliga utvecklingen av kvantprocessorkraft för en given processor. Kvantfysiker hade nyligen utvecklat en teknik för laserglödgning av stokastiskt försämrade qubits, förkortat LASIQ för att öka det kollisionsfria utbytet av transmongitter genom att ställa in individuella qubit-frekvenser via termisk laserglödgning. I detta arbete demonstrerade Zhang et al LASIQ-processen som en skalbar metod för att erhålla den förväntade laseravstämningsprecisionen. Förutom antalet avstämda qubits, mätte de funktionsparametrarna för multi-qubit-chips för hög processorprestanda. Under studien utforskade de LASIQs skalningsmöjligheter genom att trimma en 65-qubit Hummingbird-processor (tillgänglig som ibmq_manhattan). Zhang et al. föreställa sig att LASIQ-processen kommer att användas som ett skalbart frekvensinställningsverktyg för transmonarkitekturer med fast frekvens i framtida generationer av supraledande kvantsystem.
LASIQ tuning resultatstatistik. (A) Initial distribution (grå) av qubits som framgångsrikt ställdes in till målet (orange). Avståndet från målet δRT är avstämningsskillnaden normaliserad till det slutliga målresistansen RT. Orange staplar indikerar den slutliga fördelningen (20× reducerad fackbredd för tydlighetens skull) och visar de 349 qubits som är inställda till framgång. (B) Utökad vy av den orange fördelningen som visas i (A). Glödgningsframgång definieras som ett avstämt motstånd inom 0,3 % av RT, vilket uppnåddes av alla visade qubits, och 89,5 % av de 390 inställda qubitarna (detaljer i tilläggsmaterialet). De blå/röda områdena indikerar undersvängning/översvängning. En log-normal passning visas av den svarta kurvan, som stödjer tolkningen av LASIQ-inställning som en inkrementell resistanstillväxtprocess. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Som bevis på konceptet visade teamet frekvensjustering med en 27-qubit Falcon-processor för att förutsäga frekvensmål. De baserade Falcon-chipserien på ett tungt hexagonalt gitter och utförde alla mätningar vid omgivningsförhållanden för att uppnå avstämda frekvenser. Forskarna undvek närmaste grannkollisioner med dubbelt så hög kollisionstolerans för att förbättra chiputbytet mot två-qubit-tillståndshybridisering. Förutom att undvika kollisioner, trimmade teamet alla mål för att förhindra strålande qubit-avslappning. Efter att ha slutfört LASIQ-processen kylde de ned kvantprocessorn och screenade för koherens och enstaka eller två-qubits grindtillförlitlighet, såväl som kvantvolymbedömning.
Forskarna tog upp gränserna för LASIQ-inställningsprecision som begränsningar för själva processen. Till exempel, när Zhang et al analyserade ett stort urval av 390 inställda qubits, kunde 349 av dem framgångsrikt trimmas till målet för en trimningsframgångsfrekvens på 89,5 procent under experimentet. Arbetet visade hur LASIQ tillhandahöll en livskraftig trimningsprocess efter tillverkning för skalning med hög avkastning av transmonprocessorer med fast frekvens. Resultatet ger mer utrymme för att förbättra frekvensförutsägelser för att nå större inställningsprecision.
Frekvenstilldelningsprecision baserad på statistiska aggregat av trimmade 27-qubit Falcon- och 65-qubit Hummingbird-processorer. (A) Motstånd (Rn) mot frekvens (f01) korrelation för en avstämd Hummingbird-processor. Kryogena f01-mätningar plottas mot uppmätta korsningsresistanser Rn, med en effektlagskurva överlagd på de uppmätta data. Både avstämda (49 qubits) och oinställda (16) qubits avbildas. Insättningen visar ett histogram av residualer med ett SD på 18,6 MHz, vilket indikerar den praktiska precision som vi kan tilldela qubit-frekvenser. (B) Den övre panelen visar statistisk precisionsanalys utförd för totalt 241 avstämda qubits från en kombination av Falcon- och Hummingbird-chips, med aggregerade f01-rester från individuella kraftlagsregressioner för varje chip. Den nedre panelen visar identisk analys utförd för 117 oavstämda qubits från båda processorfamiljerna. Kryogena f01-mätningar ger 18,5- och 18,1-MHz-spridning för avstämda respektive oavstämda qubits, vilket indikerar att LASIQ-processen inte signifikant påverkar den totala spridningen av qubit-frekvenser före förberedande chiprengöring, limning och nedkylningsprocesser. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Inverkan av LASIQ-inställning på qubit-avslappning (T1, röd) och avfasning (T2, blå), med hjälp av sammansatta (delvis inställda) Hummingbird-processorer. Qubit-koherenser på fyra Hummingbird-chips analyseras. På varje chip mättes både oavstämda och avstämda qubits samtidigt, för ett totalt statistiskt urval på 59 oavstämda och 162 avstämda qubits. (A) Boxplots av T1- och T2-fördelningar (med interquartile box range, 10 till 90% morrhår, 1 till 99% extremvärden indikerade med kors och minima/maxima med horisontella markörer). Koherensfördelningar visar ingen statistiskt signifikant skillnad i oavstämda jämfört med LASIQ-avstämda qubitpopulationer. (B) Illustrerar denna jämförelse som en kvantil-kvantil (QQ) plot av T1- och T2-fördelningarna. Varje punkt representerar en jämförelse mellan uppskattade kvantiler från uppsättningen av 59 oavstämda kvantiler mot de interpolerade kvantilerna av de 162 avstämda kvantilerna. God linjäritet med avseende på enhetslutning indikerar en nära matchning av koherensfördelningarna i avstämda och oavstämda qubitpopulationer. Medelvärden överensstämmer robust inom statistiska felgränser. För avstämda (oavstämda) qubits, 〈T1〉 =80 ± 16 μs (76 ± 15 μs) och 〈T2〉 =68 ± 25 μs (70 ± 26 μs). De skuggade ovalarna är centrerade på medelkoherenstiderna och har 1-σ utsträckning i avslappnings- och avfasningstider. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Qubit koherens och gate trohet
För att bestämma effekten av laserjustering på qubit-koherens (en unik egenskap hos ett kvantsystem), använde forskarna en sammansatt uppsättning av fyra kylda Hummingbird-processorer och ökade deras koherens. De observerade god korrespondens, vilket tyder på en försumbar effekt av LASIQ-processen på qubit-koherens. Som en praktisk demonstration av inställningsförmågan hos LASIQ, laserjusterade Zhang et al en 65-qubit Hummingbird-processor, operativt molntillgänglig som ibmq_manhattan. De genererade LASIQ-inställningsplanen genom att undvika degenerationer på närmaste grannnivå, samtidigt som nivåseparationen bibehölls i den gränsöverskridande regimen. Forskarna kylde 65-qubit-processorn efter LASIQ och mätte qubit-frekvenser med frekvenstäthet avstämning mellan två-qubit-grindpar. Resultaten genererade ett 100-procentigt utbyte av fungerande två-qubit-grindar, ytterligare arbete kommer att bestämma de exakta kollisionsbegränsningarna och identifiera högfientliga inställningsregimer med progressivt ökade gitterstorlekar.
Gatefel för en 65-qubit Hummingbird-processor efter LASIQ-inställning. (A) Fördelning av avstämd två-qubit f01-separation (orange), tillsammans med den initiala (pre-LASIQ) fördelningen (blå), vilket indikerar hög täthet av kollisioner och grindfel före LASIQ-inställning. (B) Uppnådde ZZ-fördelning efter LASIQ-inställning, vilket indikerar välskräddarsydd separation nära noll-avstämning (typ 1 NN-kollision), samtidigt som en snäv ZZ-spridning bibehölls med 69 kHz median. En kärndensitetsuppskattare (KDE) används för att beräkna ZZ-sannolikhetstätheten (höger). (C) Uppmätta CNOT (Controlled NOT) gate-fel som en funktion av två-qubit-avstämning (orange punkter), vilket ger en median gate-trohet på 98,7 % för den LASIQ-tunade Hummingbird (motsvarande KDE-fördelning av grindfel visas på höger panel). De skuggade (grå) områdena indikerar approximativa felfrekvensprojektioner baserade på CR-grindfelsmodellering (35), inkorporerande typiska qubit-interaktionsparametrar (frekvens och anharmonicitet, qubit-koppling och grindtider), med valfri roterande ekopulsering för felminimering. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Outlook
På detta sätt uppnådde Adam J. Zhang och kollegor en betydande avkastningsförbättring och hög två-qubit-gate-trohet för både Falcon och Hummingbird IBMs kvantprocessortyper. Baserat på resultaten lyfte de fram inverkan av LASIQ—laserglödgning av stokastiskt försämrade qubits; en affektiv eftertillverkningsmetod för frekvensjustering. Metoden kan tillämpas på multi-qubit-processer baserade på transmonarkitekturer med fast frekvens. Metoden erbjuder en skalbar lösning på problemet med frekvensträngning, med anpassningsförmåga att skala qubits i progressivt större kvantprocessorer. Framtida arbete kommer att inkludera trimningsplaner för att minimera fel vid kollisioner nära grannar och åskådarkollisioner för ett maximerat utbyte. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
