Des chercheurs de Toshiba Corporation ont réalisé une percée dans l’architecture des ordinateurs quantiques : la conception de base d’un coupleur à double transmon qui améliorera la vitesse et la précision du calcul quantique dans les coupleurs accordables. Le coupleur est un dispositif clé pour déterminer les performances des ordinateurs quantiques supraconducteurs.
Des coupleurs accordables dans un ordinateur quantique supraconducteur relient deux qubits et effectuent des calculs quantiques en activant et désactivant le couplage entre eux. La technologie actuelle peut désactiver le couplage des qubits transmon avec des fréquences proches, mais cela est sujet aux erreurs de diaphonie qui se produisent sur l’un des qubits lorsque l’autre qubit est irradié par des ondes électromagnétiques pour le contrôle. De plus, la technologie actuelle ne peut pas désactiver complètement le couplage pour les qubits avec des fréquences significativement différentes, ce qui entraîne des erreurs dues au couplage résiduel.
Toshiba a récemment conçu un coupleur à double transmon qui peut complètement activer et désactiver le couplage entre des qubits avec des fréquences très différentes. L’activation complète permet des calculs quantiques à grande vitesse avec un couplage fort, tandis que l’extinction complète élimine le couplage résiduel, ce qui améliore les vitesses et la précision des calculs quantiques. Des simulations avec la nouvelle technologie ont montré qu’elle réalise des portes à deux qubits, des opérations de base en calcul quantique, avec une précision de 99,99 % et un temps de traitement de seulement 24 ns.
Le coupleur à double transmon de Toshiba peut être appliqué aux qubits transmon à fréquence fixe, réalisant une grande stabilité et une facilité de conception. C’est le premier à réaliser un couplage entre des qubits transmon à fréquence fixe avec des fréquences très différentes qui peuvent être complètement activées et désactivées, et à fournir une porte à deux qubits précise et à grande vitesse.
La technologie devrait faire progresser la réalisation d’ordinateurs quantiques plus performants qui contribueront dans des domaines tels que l’atteinte de la neutralité carbone et le développement de nouveaux médicaments. Les détails de la technologie ont été publiés dans Examen physique appliqué.
Contexte de développement
La mécanique quantique décrit le monde invisible des atomes et des molécules à l’aide d’états de superposition quantique, permettant à un système physique d’apparaître simultanément dans deux états complètement différents. Les ordinateurs quantiques utilisent cette propriété mystérieuse pour effectuer des calculs pratiquement impossibles avec les ordinateurs conventionnels, une capacité qui a beaucoup attiré l’attention ces dernières années.
Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits dans des états de superposition quantique de 0 et 1 pour exécuter des calculs. Tout calcul quantique est exécuté avec deux opérations de base, des portes à un seul qubit et des portes à deux qubits. Pour réaliser des ordinateurs quantiques hautes performances, nous avons besoin d’opérations de porte rapides et précises.
Le développement des ordinateurs quantiques est promu dans le monde entier, et cela a vu l’adoption de multiples approches, avec des propositions allant de la manipulation d’atomes ou d’ions uniques à l’utilisation de semi-conducteurs et de circuits supraconducteurs. L’approche du circuit supraconducteur est maintenant considérée comme ayant un avantage en termes de réalisation d’états de superposition quantique dans de grands circuits, et dans la relative facilité d’atteindre le couplage fort des qubits essentiel pour l’exécution à grande vitesse des portes à deux qubits.
Le couplage des qubits se fait avec un coupleur. Jusqu’à récemment, les dispositifs principaux étaient des coupleurs fixes avec une force de couplage constante, mais l’attention se tourne maintenant vers les coupleurs réglables, qui sont considérés comme offrant la force de couplage réglable nécessaire pour améliorer les performances.
Les coupleurs accordables répondent à des exigences contradictoires : une porte rapide à deux qubits avec un couplage fort, ainsi que la possibilité de réduire les erreurs du couplage résiduel en désactivant le couplage. De plus, il est préférable que le qubit utilisé dans les calculs soit un qubit transmon à fréquence fixe, qui soit très stable, ait une structure simple et soit facile à fabriquer.
De plus, la fréquence des deux qubits qui sont couplés doit être significativement différente, car cela réduit les erreurs de diaphonie et est robuste contre les écarts par rapport aux valeurs de conception des fréquences qubit, améliorant ainsi les rendements dans la fabrication de dispositifs. Le problème ici, cependant, est qu’aucun coupleur accordable n’a encore été capable de combiner un découplage complet et des opérations de porte rapides à deux qubits pour deux qubits transmon à fréquence fixe avec des fréquences significativement différentes.
Caractéristiques de la nouvelle technologie
Les chercheurs de Toshiba ont conçu un coupleur à double transmon, le premier coupleur accordable au monde qui peut à la fois désactiver complètement le couplage et faire fonctionner les deux portes qubit à grande vitesse pour deux qubits transmon à fréquence fixe avec des fréquences très différentes.
Le double coupleur transmon comprend deux qubits transmon à fréquence fixe, ainsi que deux autres qubits transmon à fréquence fixe utilisés pour le calcul. Le coupleur à double transmon a une boucle, et les trois x sur la boucle représentent deux jonctions Josephson transmon et une jonction Josephson supplémentaire. Le flux magnétique dans la boucle, Φex, peut être réglé par un champ magnétique externe pour amener la force de couplage entre les qubits des deux côtés à exactement zéro, éteignant complètement le couplage.
La force de couplage peut également être augmentée à plusieurs dizaines de mégahertz en augmentant le flux magnétique, ce qui réalise des opérations de porte rapides à deux qubits. Des simulations ont montré que des opérations de porte avec une précision de 99,99 % sont possibles, avec des temps de porte aussi courts que 24 ns. Le coupleur devrait ainsi contribuer à des ordinateurs quantiques plus performants.
Hayato Goto, Double-Transmon Coupler : porte rapide à deux qubits sans couplage résiduel pour les qubits supraconducteurs fortement désaccordés, Examen physique appliqué (2022). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.18.034038
Fourni par Toshiba Corporation