Forschern der Toshiba Corporation ist ein Durchbruch in der Quantencomputerarchitektur gelungen: das grundlegende Design für einen Doppeltransmonkoppler, der die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Quantenberechnung in abstimmbaren Kopplern verbessern wird. Der Koppler ist ein Schlüsselelement bei der Bestimmung der Leistung von supraleitenden Quantencomputern.
Abstimmbare Koppler in einem supraleitenden Quantencomputer verbinden zwei Qubits und führen Quantenberechnungen durch, indem sie die Kopplung zwischen ihnen ein- und ausschalten. Die aktuelle Technologie kann die Kopplung von Transmon-Qubits mit engen Frequenzen abschalten, aber dies ist anfällig für Übersprechfehler, die bei einem der Qubits auftreten, wenn das andere Qubit zur Steuerung mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird. Darüber hinaus kann die aktuelle Technologie die Kopplung für Qubits mit erheblich unterschiedlichen Frequenzen nicht vollständig ausschalten, was zu Fehlern aufgrund von Restkopplung führt.
Toshiba hat kürzlich einen Doppeltransmon-Koppler entwickelt, der die Kopplung zwischen Qubits mit deutlich unterschiedlichen Frequenzen vollständig ein- und ausschalten kann. Das vollständige Einschalten ermöglicht Hochgeschwindigkeits-Quantenberechnungen mit starker Kopplung, während das vollständige Ausschalten die Restkopplung eliminiert, was die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Quantenberechnung verbessert. Simulationen mit der neuen Technologie haben gezeigt, dass sie Zwei-Qubit-Gatter, grundlegende Operationen in der Quantenberechnung, mit einer Genauigkeit von 99,99 % und einer Verarbeitungszeit von nur 24 ns realisiert.
Der Doppel-Transmon-Koppler von Toshiba kann auf Transmon-Qubits mit fester Frequenz angewendet werden, wodurch eine hohe Stabilität und ein einfaches Design erreicht werden. Es ist das erste, das eine Kopplung zwischen Festfrequenz-Transmon-Qubits mit deutlich unterschiedlichen Frequenzen realisiert, die vollständig ein- und ausgeschaltet werden können, und ein schnelles, genaues Zwei-Qubit-Gate liefert.
Die Technologie soll die Realisierung leistungsfähigerer Quantencomputer vorantreiben, die in Bereichen wie dem Erreichen der CO2-Neutralität und der Entwicklung neuer Medikamente beitragen werden. Details der Technologie wurden in veröffentlicht Körperliche Überprüfung angewendet.
Entwicklungshintergrund
Die Quantenmechanik beschreibt die unsichtbare Welt der Atome und Moleküle mithilfe von Quantenüberlagerungszuständen, die es einem physikalischen System ermöglichen, sich gleichzeitig in zwei völlig unterschiedlichen Zuständen zu befinden. Quantencomputer nutzen diese mysteriöse Eigenschaft, um Berechnungen durchzuführen, die mit herkömmlichen Computern praktisch unmöglich sind, eine Fähigkeit, die in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat.
Quantencomputer verwenden Qubits in Quantenüberlagerungszuständen von 0 und 1, um Berechnungen auszuführen. Jede Quantenberechnung wird mit zwei grundlegenden Operationen ausgeführt, Single-Qubit-Gates und Two-Qubit-Gates. Um Hochleistungs-Quantencomputer zu realisieren, benötigen wir schnelle und genaue Gate-Operationen.
Die Entwicklung von Quantencomputern wird weltweit vorangetrieben, und dies hat zur Annahme mehrerer Ansätze geführt, mit Vorschlägen, die von der Manipulation einzelner Atome oder Ionen bis zur Verwendung von Halbleitern und supraleitenden Schaltkreisen reichen. Der Ansatz mit supraleitenden Schaltungen wird nun als Vorteil in Bezug auf die Realisierung von Quantenüberlagerungszuständen in großen Schaltungen und in der relativ einfachen Erzielung der starken Kopplung von Qubits angesehen, die für die Hochgeschwindigkeitsausführung von Zwei-Qubit-Gattern unerlässlich ist.
Die Kopplung von Qubits erfolgt mit einem Koppler. Bis vor kurzem waren die wichtigsten Geräte feste Kupplungen mit einer konstanten Kopplungsstärke, aber die Aufmerksamkeit richtet sich jetzt auf abstimmbare Kupplungen, von denen angenommen wird, dass sie die einstellbare Kopplungsstärke bieten, die zur Verbesserung der Leistung erforderlich ist.
Abstimmbare Koppler erfüllen widersprüchliche Anforderungen: ein schnelles Zwei-Qubit-Gatter mit starker Kopplung sowie die Fähigkeit, Fehler durch Restkopplung durch Abschalten der Kopplung zu reduzieren. Außerdem ist es vorzuziehen, dass das in Berechnungen verwendete Qubit ein Transmon-Qubit mit fester Frequenz ist, das hochgradig stabil ist, eine einfache Struktur hat und leicht herzustellen ist.
Darüber hinaus sollte die Frequenz der beiden gekoppelten Qubits deutlich unterschiedlich sein, da dies Übersprechfehler reduziert und robust gegenüber Abweichungen von den Designwerten der Qubit-Frequenzen ist, wodurch die Ausbeute bei der Geräteherstellung verbessert wird. Das Problem hierbei ist jedoch, dass bisher kein abstimmbarer Koppler in der Lage war, eine vollständige Auskopplung und schnelle Zwei-Qubit-Gate-Operationen für zwei Festfrequenz-Transmon-Qubits mit signifikant unterschiedlichen Frequenzen zu kombinieren.
Merkmale der neuen Technologie
Toshiba-Forscher haben einen Doppel-Transmon-Koppler entwickelt, den weltweit ersten abstimmbaren Koppler, der sowohl die Kopplung vollständig abschalten als auch die beiden Qubit-Gatter mit hoher Geschwindigkeit für zwei Festfrequenz-Transmon-Qubits mit deutlich unterschiedlichen Frequenzen betreiben kann.
Der Doppel-Transmon-Koppler umfasst zwei Festfrequenz-Transmon-Qubits zusammen mit zwei anderen Festfrequenz-Transmon-Qubits, die für die Berechnung verwendet werden. Der Doppel-Transmon-Koppler hat eine Schleife, und die drei X auf der Schleife repräsentieren zwei Transmon-Josephson-Übergänge und einen zusätzlichen Josephson-Übergang. Der Magnetfluss in der Schleife, Φex, kann durch ein externes Magnetfeld abgestimmt werden, um die Kopplungsstärke zwischen den Qubits auf beiden Seiten auf genau Null zu bringen und die Kopplung vollständig auszuschalten.
Die Kopplungsstärke kann auch auf mehrere zehn Megahertz erhöht werden, indem der magnetische Fluss erhöht wird, wodurch schnelle Zwei-Qubit-Gate-Operationen realisiert werden. Simulationen haben gezeigt, dass Gate-Operationen mit einer Genauigkeit von 99,99 % möglich sind, mit Gate-Zeiten von nur 24 ns. Damit soll der Koppler zu leistungsfähigeren Quantencomputern beitragen.
Hayato Goto, Double-Transmon Coupler: Schnelles Zwei-Qubit-Gate ohne Restkopplung für stark verstimmte supraleitende Qubits, Körperliche Überprüfung angewendet (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.034038
Bereitgestellt von der Toshiba Corporation