I ricercatori della Toshiba Corporation hanno raggiunto una svolta nell'architettura dei computer quantistici:il progetto di base per un accoppiatore a doppio transmone che migliorerà la velocità e l'accuratezza del calcolo quantistico negli accoppiatori sintonizzabili. L'accoppiatore è un dispositivo chiave nel determinare le prestazioni dei computer quantistici superconduttori.

Gli accoppiatori sintonizzabili in un computer quantistico superconduttore collegano due qubit ed eseguono calcoli quantistici attivando e disattivando l'accoppiamento tra di loro. La tecnologia attuale può disattivare l'accoppiamento di qubit transmon con frequenze vicine, ma questo è soggetto a errori di diafonia che si verificano su uno dei qubit quando l'altro qubit viene irradiato con onde elettromagnetiche per il controllo. Inoltre, la tecnologia attuale non può disattivare completamente l'accoppiamento per qubit con frequenze significativamente diverse, con conseguenti errori dovuti all'accoppiamento residuo.

Toshiba ha recentemente ideato un accoppiatore a doppio transmone in grado di attivare e disattivare completamente l'accoppiamento tra qubit con frequenze significativamente diverse. L'attivazione completa consente calcoli quantistici ad alta velocità con un forte accoppiamento, mentre la disattivazione completa elimina l'accoppiamento residuo, migliorando la velocità e la precisione del calcolo quantistico. Le simulazioni con la nuova tecnologia hanno dimostrato che realizza porte a due qubit, operazioni di base nel calcolo quantistico, con una precisione del 99,99% e un tempo di elaborazione di soli 24 ns.

L'accoppiatore a doppia transmon di Toshiba può essere applicato a qubit transmon a frequenza fissa, realizzando un'elevata stabilità e facilità di progettazione. È il primo a realizzare l'accoppiamento tra qubit transmon a frequenza fissa con frequenze significativamente diverse che possono essere attivate e disattivate completamente e a fornire un gate a due qubit accurato e ad alta velocità.

Si prevede che la tecnologia farà avanzare la realizzazione di computer quantistici a prestazioni più elevate che contribuiranno in aree quali il raggiungimento della neutralità del carbonio e lo sviluppo di nuovi farmaci. I dettagli della tecnologia sono stati pubblicati in Physical Review Applied .

Sfondo di sviluppo

La meccanica quantistica descrive il mondo invisibile di atomi e molecole utilizzando stati di sovrapposizione quantistica, consentendo a un sistema fisico di apparire in due stati completamente diversi contemporaneamente. I computer quantistici utilizzano questa misteriosa proprietà per eseguire calcoli praticamente impossibili con i computer convenzionali, una capacità che ha attirato molta attenzione negli ultimi anni.

I computer quantistici utilizzano i qubit negli stati di sovrapposizione quantistica di 0 e 1 per eseguire calcoli. Qualsiasi calcolo quantistico viene eseguito con due operazioni di base, porte a qubit singolo e porte a due qubit. Per realizzare computer quantistici ad alte prestazioni, abbiamo bisogno di operazioni di gate rapide e accurate.

Lo sviluppo di computer quantistici è stato promosso in tutto il mondo e questo ha visto l'adozione di molteplici approcci, con proposte che vanno dalla manipolazione di singoli atomi o ioni all'uso di semiconduttori e circuiti superconduttori. L'approccio del circuito superconduttore è ora considerato un vantaggio in termini di realizzazione di stati di sovrapposizione quantistica in circuiti di grandi dimensioni e nella relativa facilità di ottenere il forte accoppiamento di qubit essenziale per l'esecuzione ad alta velocità di porte a due qubit.

L'accoppiamento dei qubit viene eseguito con un accoppiatore. Fino a poco tempo, i dispositivi cardine erano accoppiatori fissi con una forza di accoppiamento costante, ma ora l'attenzione si sta rivolgendo agli accoppiatori sintonizzabili, che sono visti come offrire la forza di accoppiamento regolabile necessaria per migliorare le prestazioni.

Gli accoppiatori sintonizzabili soddisfano requisiti contraddittori:un gate veloce a due qubit con un forte accoppiamento, insieme alla capacità di ridurre gli errori dall'accoppiamento residuo spegnendo l'accoppiamento. Inoltre, è preferibile che il qubit utilizzato nei calcoli sia un qubit transmon a frequenza fissa, che è altamente stabile, ha una struttura semplice ed è facile da fabbricare.

Inoltre, la frequenza dei due qubit accoppiati dovrebbe essere significativamente diversa, poiché ciò riduce gli errori di diafonia ed è resistente alle deviazioni dai valori di progettazione delle frequenze dei qubit, migliorando così i rendimenti nella fabbricazione del dispositivo. Il problema qui, tuttavia, è che nessun accoppiatore sintonizzabile è stato ancora in grado di combinare operazioni complete di disaccoppiamento e gate a due qubit veloci per due qubit transmon a frequenza fissa con frequenze significativamente diverse.

Caratteristiche della nuova tecnologia

I ricercatori Toshiba hanno ideato un accoppiatore a doppio transmone, il primo accoppiatore sintonizzabile al mondo in grado sia di disattivare completamente l'accoppiamento sia di azionare i due gate di qubit ad alta velocità per due qubit di transmon a frequenza fissa con frequenze significativamente diverse.

Il doppio accoppiatore transmon comprende due qubit transmon a frequenza fissa, insieme ad altri due qubit transmon a frequenza fissa utilizzati per il calcolo. L'accoppiatore a doppio transmone ha un anello e le tre x sull'anello rappresentano due giunzioni Josephson transmon e una giunzione Josephson aggiuntiva. Il flusso magnetico nell'anello, Φex, può essere regolato da un campo magnetico esterno per portare la forza di accoppiamento tra i qubit su entrambi i lati esattamente a zero, spegnendo completamente l'accoppiamento.

La forza di accoppiamento può anche essere aumentata a diverse decine di megahertz aumentando il flusso magnetico, che realizza veloci operazioni di gate a due qubit. Le simulazioni hanno mostrato che sono possibili operazioni di gate con una precisione del 99,99%, con tempi di gate di appena 24 ns. L'accoppiatore dovrebbe quindi contribuire a computer quantistici a prestazioni più elevate. + Esplora ulteriormente

Un qubit superconduttore alternativo raggiunge prestazioni elevate per l'informatica quantistica