Fluxonium-Qubits bringen die Entstehung eines Quantencomputers näher

Russische Wissenschaftler der University of Science and Technology MISIS und der Moskauer Staatlichen Technischen Universität Bauman waren eine der ersten weltweit, die einen Zwei-Qubit-Betrieb mit supraleitenden Fluxonium-Qubits implementierten. Fluxoniums haben einen längeren Lebenszyklus und eine höhere Präzision der Operationen, daher werden sie verwendet, um längere Algorithmen zu erstellen. Ein Artikel über Forschung, die die Schaffung eines Quantencomputers der Realität näher bringt, wurde in veröffentlicht npj Quanteninformation.

Eine der Hauptfragen bei der Entwicklung eines universellen Quantencomputers sind Qubits. Welche Quantenobjekte eignen sich nämlich am besten, um Prozessoren für Quantencomputer herzustellen: Elektronen, Photonen, Ionen, Supraleiter oder andere „Quantentransistoren“. Supraleitende Qubits haben sich im letzten Jahrzehnt zu einer der erfolgreichsten Plattformen für Quantencomputing entwickelt. Bis heute sind die kommerziell erfolgreichsten supraleitenden Qubits Transmons, die aktiv untersucht und in den Quantenentwicklungen von Google, IBM und anderen weltweit führenden Labors verwendet werden.

Die Hauptaufgabe eines Qubits besteht darin, Informationen fehlerfrei zu speichern und zu verarbeiten. Zufällige Geräusche und sogar bloße Beobachtung können zum Verlust oder zur Veränderung von Daten führen. Der stabile Betrieb von supraleitenden Qubits erfordert oft extrem niedrige Umgebungstemperaturen – nahe null Kelvin, was hundertmal kälter ist als die Temperatur im offenen Weltraum.

Russische Physiker des Labors für supraleitende Metamaterialien der MISIS-Universität und der Staatlichen Technischen Universität Bauman Moskau gehörten zu den ersten weltweit, die eine Zwei-Qubit-Operation mit supraleitenden Fluxonium-Qubits implementierten. Um Qubits vor Rauschen zu schützen, fügten die Forscher der Schaltung einen Suprainduktor (ein supraleitendes Element mit einem hohen Widerstandswert gegenüber Wechselstrom) hinzu, bei dem es sich um eine Kette von 40 Josephson-Kontakten handelt – Strukturen aus zwei Supraleitern, die durch eine dünne Schicht aus Dielektrikum getrennt sind.

„Fluxonium-Qubits sind komplexer und weniger untersucht als Transmons. Der Hauptvorteil von Fluxonium besteht darin, dass sie mit einer niedrigen Frequenz von etwa 600 MHz betrieben werden können. Wir wissen, dass die Lebensdauer von Qubits umso länger ist, je niedriger die Frequenz ist mit ihnen können mehr Operationen durchgeführt werden. Bei den Tests stellte sich heraus, dass die dielektrischen Verluste von Fluxonium-Qubits es ermöglichen, den Zustand der Überlagerung länger zu halten als bei Transmons“, sagt Ilya Besedin, einer der Autoren der Studie, an Ingenieur des wissenschaftlichen Projekts im NUST MISIS Labor für supraleitende Metamaterialien.

Um einen universellen Satz logischer Operationen zu implementieren, verwendeten Wissenschaftler hochpräzise Zwei-Qubit-Gatter: fSim und CZ. Um die Qubits miteinander in Resonanz zu bringen, wurde eine parametrische Modulation des Flusses eines der Qubits des Systems verwendet. Die Autoren der Studie stellen fest, dass es aufgrund des abstimmbaren Kopplungselements gleichzeitig möglich war, nicht nur die Genauigkeit von Zwei-Qubit-Operationen über 99,22 % zu erreichen, sondern auch die verbleibende ZZ-Wechselwirkung zwischen den Qubits zu unterdrücken, was eine Leistung ermöglichte parallele Single-Qubit-Operationen mit einer Genauigkeit von 99,97 %.

„Die niedrige Frequenz von Rechen-Qubits ebnet nicht nur den Weg für eine längere Lebensdauer von Qubits und eine höhere Genauigkeit der Ventiloperationen, was zu längeren Algorithmen führen wird, sondern ermöglicht auch die Verwendung von Subgigahertz-Elektronik in Qubit-Steuerleitungen, was die Komplexität erheblich reduziert des Quantenprozessor-Steuerungssystems“, sagte Ilya Besedin.

Die erzielten Ergebnisse zeigen einen interessanten und vielversprechenden Ansatz für fehlertolerantes Quantencomputing mit niederfrequenten Qubits, das eine gute Alternative zum Transmon-System darstellen kann.

In Zukunft planen die Wissenschaftler, die Forschung mit Berechnungen auf der Grundlage von Fluxonium-Qubits fortzusetzen, das Qubit-Steuerungssystem zu optimieren, die Ausleseraten zu verbessern und mit der Entwicklung von darauf basierenden Multi-Qubit-Systemen zu beginnen.