Innovative Quantencomputer mit Fluxonium-Prozessoren

Die nächste Generation von Quantengeräten erfordert hochkohärente Qubits, die weniger fehleranfällig sind. Als Reaktion auf diesen Bedarf entwickelten Forscher des AQT at Berkeley Lab, einem hochmodernen kollaborativen Forschungslabor, eine Blaupause für einen neuartigen Quantenprozessor auf der Grundlage von „Fluxonium“-Qubits. Fluxonium-Qubits können die am häufigsten verwendeten supraleitenden Qubits übertreffen und bieten einen vielversprechenden Weg zu fehlertolerantem universellem Quantencomputing.

In Zusammenarbeit mit Forschern der University of California, Berkeley und der Yale University leistete das AQT-Team Pionierarbeit bei einer systematischen theoretischen Studie zur Entwicklung von Fluxonium-Qubits für höhere Leistung und bot gleichzeitig praktische Vorschläge zur Anpassung und zum Bau der hochmodernen Hardware, die vollständig genutzt werden kann das Potenzial des Quantencomputings. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht PRX Quantum.

An der Spitze der supraleitenden Prozessoren

Supraleitende Quantenprozessoren bestehen aus mehreren Qubits mit unterschiedlichen Übergangsfrequenzen, die eine präzise Steuerung einzelner Qubits und ihrer Wechselwirkungen ermöglichen. Das Transmon-Qubit, eines der am weitesten verbreiteten auf dem Gebiet für supraleitende Prozessoren, hat typischerweise eine geringe Anharmonizität. Anharmonizität ist die Differenz zwischen relevanten Übergangsfrequenzen in einem Qubit. Eine geringe Anharmonizität trägt zur spektralen Überfüllung bei (wenn Qubit-Frequenzen nahe beieinander in Resonanz sind), was die Steuerung des Prozessors schwieriger macht, da die Qubit-Frequenzen eng beieinander angeordnet sind.

Im Gegensatz dazu ermöglicht eine hohe Anharmonizität den Forschern eine bessere Qubit-Steuerung, da es weniger Überschneidungen zwischen den Frequenzen gibt, die die Qubits steuern, und denen, die ein bestimmtes Qubit auf höhere Energieniveaus treiben. Das Fluxonium-Qubit hat inhärente Vorteile für komplexe supraleitende Prozessoren, wie hohe Anharmonizität, lange Kohärenzzeiten und einfache Steuerung.

Aufbauend auf der robusten Forschungs- und Entwicklungsgeschichte von AQT zu supraleitenden Schaltkreisen konzentrierte sich das Team, das die Fluxonium-basierte Architektur leitete, auf die Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit der Hauptkomponenten des Prozessors mit einer Reihe von Parametern, die Forscher abstimmen können, um die Laufzeit und Genauigkeit von Quantenschaltkreisen zu erhöhen . Einige dieser Anpassungen ermöglichen eine einfachere Bedienung des Systems. Die Forscher schlugen beispielsweise vor, die Fluxonium-Qubits bei niedriger Frequenz (1 GHz) über Mikrowellenimpulse zu steuern, die direkt von einem elektrischen Generator für beliebige Wellenformen erzeugt werden. Dieser unkomplizierte Ansatz ermöglicht es Forschern, Prozessoren zu entwerfen und mehrere Qubits flexibel einzurichten.

Flexible Ansätze mit Fluxonium-Qubits für Großgeräte

Long B. Nguyen ist Projektwissenschaftler bei AQT und Hauptautor der Veröffentlichung. Nguyen begann mit der Erforschung alternativer supraleitender Qubits als Doktorand an der University of Maryland in Zusammenarbeit mit Professor Vladimir Manucharyan. Manucharyan führte Fluxonium-Qubits nur ein Jahrzehnt zuvor in das Feld ein und 2019 demonstrierte Nguyen die möglichen längeren Kohärenzzeiten mit Fluxonium-Schaltungen. Der Fluxonium-Schaltkreis besteht aus drei Elementen: einem Kondensator, einem Josephson-Übergang und einem Superinduktor, der dazu beiträgt, magnetisches Flussrauschen zu unterdrücken – eine typische Quelle unerwünschter Interferenzen, die supraleitende Qubits beeinflussen und Dekohärenz verursachen.

„Ich wollte schon immer neue Physik studieren und konzentrierte mich auf Fluxonium, weil es damals eine bessere Alternative zum Transmon zu sein schien. Es hat drei Schaltungselemente, mit denen ich spielen konnte, um die Art von Spektren zu erhalten, die ich wollte. Es konnte entworfen werden, um Dekohärenz aufgrund von Materialfehlern zu vermeiden. Ich habe auch kürzlich festgestellt, dass die Skalierung von Fluxonium wahrscheinlich günstiger ist, da die geschätzte Herstellungsausbeute hoch ist und die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Qubits so konstruiert werden können, dass sie High-Fidelity aufweisen“, erklärte Nguyen.

Um die Leistung des vorgeschlagenen Fluxonium-Bauplans abzuschätzen und zu validieren, simulierte das Team von AQT in Zusammenarbeit mit den Forschern der Veröffentlichung zwei Arten von programmierbaren Quantenlogikgattern – das kreuzresonanzgesteuerte NOT (CNOT) und das differentielle ac-Stark-gesteuerte -Z (CZ). Die hohe Wiedergabetreue, die sich aus der Gate-Simulation über den Bereich der vorgeschlagenen Qubit-Parameter ergibt, bestätigte die Erwartungen des Teams an den vorgeschlagenen Entwurf.

„Wir haben einen potenziellen Weg zum Bau von Fluxonium-Prozessoren mit praktischen Standardverfahren zum Einsatz von Logikgattern mit unterschiedlichen Frequenzen aufgezeigt. Wir hoffen, dass mehr Forschung und Entwicklung zu Fluxonium- und supraleitenden Qubit-Alternativen die nächste Generation von Geräten für die Quanteninformationsverarbeitung hervorbringen wird“, sagte Nguyen .