Forskning utförd inom Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" (ML4Q) har analyserat avancerade enhetsstrukturer hos kvantdatorer för att visa att vissa av dem verkligen fungerar farligt nära en tröskel för kaotisk härdsmälta. Utmaningen är att gå en tunn linje mellan för hög, men också för låg oordning för att säkerställa enhetens funktion. Studien har publicerats idag i Nature Communications .

I kapplöpningen om vad som kan bli en viktig framtidsteknologi, investerar teknikjättar som IBM och Google enorma resurser i utvecklingen av kvantdatorhårdvara. Men nuvarande plattformar är ännu inte redo för praktiska tillämpningar. Det återstår flera utmaningar, bland dem kontrollen av enhetsfel ("störning").

Det är en gammal stabilitetsåtgärd:När stora grupper av människor korsar broar måste de undvika att marschera i takt för att förhindra bildandet av resonanser som destabiliserar konstruktionen. Kanske kontraintuitivt förlitar sig den supraledande transmon qubit-processorn – en tekniskt avancerad plattform för kvantberäkning som gynnas av IBM, Google och andra konsortier – på samma princip:avsiktligt introducerad störning blockerar bildandet av resonanta kaotiska fluktuationer och blir därmed en väsentlig del av produktion av multi-qubit-processorer.

För att förstå denna till synes paradoxala poäng bör man tänka på en transmon qubit som en sorts pendel. Qubits sammanlänkade för att bilda en datorstruktur definierar ett system av kopplade pendlar - ett system som, precis som klassiska pendlar, lätt kan exciteras till okontrollerbart stora svängningar med katastrofala konsekvenser. I kvantvärlden leder sådana okontrollerbara svängningar till att kvantinformation förstörs; datorn blir oanvändbar. Avsiktligt införda lokala "avstämningar" av enstaka pendlar håller sådana fenomen i schack.

"Transmon-chippet tolererar inte bara utan kräver faktiskt slumpmässiga qubit-till-qubit-enhetsdefekter", förklarade Christoph Berke, sistaårs doktorand i gruppen av Simon Trebst vid universitetet i Köln och första författare till artikeln. "I vår studie frågar vi hur tillförlitlig principen om "stabilitet genom slumpmässighet" är i praktiken. Genom att tillämpa den senaste diagnostiken av teorin om störda system kunde vi finna att åtminstone några av de industriellt eftersträvade systemarkitekturer är farligt nära instabilitet."

Ur grundläggande kvantfysiks synvinkel är en transmonprocessor ett kvantsystem med många kroppar med kvantiserade energinivåer. Toppmoderna numeriska verktyg gör att man kan beräkna dessa diskreta nivåer som en funktion av relevanta systemparametrar, för att erhålla mönster som ytligt liknar en härva av kokt spagetti. En noggrann analys av sådana strukturer för realistiskt modellerade Google- och IBM-chips var ett av flera diagnostiska verktyg som användes i tidningen för att kartlägga ett stabilitetsdiagram för transmon-kvantberäkningar.

"När vi jämförde Google med IBM-chips, fann vi att i det senare fallet kan qubit-tillstånd kopplas till en sådan grad att kontrollerade grindoperationer kan äventyras", säger Simon Trebst, chef för Computational Condensed Matter Physics-gruppen vid universitetet av Köln. För att säkra kontrollerade grindoperationer måste man alltså hitta den subtila balansen mellan att stabilisera qubit-integritet och möjliggöra inter-qubit-koppling. I språkbruket pastaberedning måste man förbereda kvantdatorprocessorn till perfektion, hålla energitillstånden "al dente" och undvika att de trasslar ihop sig genom överkokning.

Studien av störning i transmonhårdvara utfördes som en del av Cluster of Excellence ML4Q i ett samarbete mellan forskargrupperna Simon Trebst och Alexander Altland vid universitetet i Köln och gruppen av David DiVincenzo vid RWTH Aachen University och Forschungszentrum Jülich. "Det här samarbetsprojektet är ganska unikt", säger Alexander Altland från Institutet för teoretisk fysik i Köln. "Vår kompletterande kunskap om transmonhårdvara, numerisk simulering av komplexa mångakroppssystem och kvantkaos var den perfekta förutsättningen för att förstå hur kvantinformation med störning kan skyddas. Det indikerar också hur insikter som erhålls för små referenssystem kan överföras till applikationer -relevanta designskalor."

David DiVincenzo, grundare av JARA-Institute for Quantum Information vid RWTH Aachen University, drar följande slutsats:"Vår studie visar hur viktigt det är för hårdvaruutvecklare att kombinera enhetsmodellering med den senaste kvantslumpmetoden och att integrera "kaosdiagnostik" som en rutindel av qubit-processordesign i den supraledande plattformen." + Utforska vidare

Första hybridkvantbiten baserad på topologiska isolatorer