Neues Multimode-Koppler-Design fördert skalierbares Quantencomputing

Die Implementierung eines fehlertoleranten Quantenprozessors erfordert die Kopplung von Qubits, um Verschränkungen zu erzeugen. Supraleitende Qubits sind eine vielversprechende Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung, aber die Skalierung auf einen vollwertigen Quantencomputer erfordert die Verbindung vieler Qubits mit geringen Fehlerraten. Herkömmliche Methoden beschränken die Kopplung oft auf nächste Nachbarn, erfordern große physische Stellflächen und beinhalten zahlreiche Koppler, was die Herstellung erschwert.

Um beispielsweise 100 Qubits paarweise zu koppeln, ist eine große Anzahl von Kopplern erforderlich. Darüber hinaus würde die Steuerung einzelner Schaltelemente und Koppler mit separaten Kabeln für selbst 1.000 Qubits eine unpraktisch große Menge an Kabeln erfordern, was es unmöglich macht, ein solches System in einem großen Labor unterzubringen, geschweige denn, Millionen von Qubits zu verwalten. Dies unterstreicht den Bedarf an effizienteren und skalierbareren Kopplungsmethoden.

Ein Team theoretischer Physiker unter der Leitung von Mohd Ansari am FZJ stellte in Zusammenarbeit mit dem Experimentalteam von Britton Plourde an der Syracuse University einen neuartigen Ansatz unter Verwendung eines Multimode-Kopplers vor, der eine einstellbare Kopplungsstärke zwischen beliebigen Qubit-Paaren ermöglicht.

Veröffentlicht In PRX QuantumDiese Forschung verwendet einen gemeinsamen ringförmigen Koppler, der aus einer Metamaterial-Übertragungsleitung besteht. Dieses Design erzeugt ein dichtes Frequenzspektrum von stehenden Wellenresonanzen in der Nähe des Qubit-Übergangsfrequenzbereichs. Der linkshändige Ringresonator, der aus 24 induktiv geerdeten und kapazitiv gekoppelten Zellen besteht, weist oberhalb einer minimalen Grenzfrequenz einen dichten Satz von Modi auf, wobei die Modusfrequenzen bei höheren Frequenzen weiter auseinander liegen.

Dieses einzigartige Design, bei dem die Frequenz stehender Wellen linear proportional zu ihrer Wellenlänge ist, unterscheidet sich von herkömmlichen stehenden Wellen. So verdoppelt sich beispielsweise bei einer Verdoppelung der Frequenz die Wellenlänge, während bei herkömmlichen Systemen die Wellenlänge bei einer Verdoppelung der Frequenz halbiert wird. Stellen Sie sich ein Musikinstrument vor, bei dem höhere Tonhöhen längeren Wellenlängen entsprechen – dieses Konzept widerspricht traditionellen Erwartungen.

Zwei supraleitende Qubits, die an den Positionen 3 und 6 Uhr auf dem Ringresonator platziert sind, koppeln an die stehenden Wellen, wobei die Wechselwirkungsstärke von der Amplitude der stehenden Wellen an ihren Positionen abhängt. Die Kopplung mehrerer Qubits an einen gemeinsamen Resonanzmodus induziert transversale Austauschwechselwirkungen, wobei die Kopplung von der Verstimmung jedes Qubits auf verschiedene Modi abhängt. Diese Wechselwirkungen können positiv oder negativ sein. Darüber hinaus führen Wechselwirkungen zwischen höheren Anregungszuständen jedes Qubits und den Kopplungsmodi zu ZZ-Wechselwirkungen höherer Ordnung, die ebenfalls mit der Verstimmung des Qubits variieren und ihr Vorzeichen ändern können.

Diese Variabilität bei Austausch- und ZZ-Wechselwirkungen passt gut zu theoretischen Modellen und ermöglicht die Feineinstellung der Verschränkungsenergieskalen von großen Werten bis hin zu Null. Das Potenzial, dieses System auf mehr als zwei Qubits um den Ring herum auszudehnen, macht es zu einer vielversprechenden Plattform für die Kontrolle der Verschränkung in großen Qubit-Arrays.