Immagine SEM del processore fluxonium a due qubit. Credito:Bao et al.
I computer quantistici, dispositivi che sfruttano i fenomeni quantistici per eseguire calcoli, potrebbero eventualmente aiutare ad affrontare problemi computazionali complessi in modo più rapido ed efficiente rispetto ai computer classici. Questi dispositivi sono comunemente basati su unità di informazioni di base note come bit quantistici o qubit.
I ricercatori dell'Alibaba Quantum Laboratory, un'unità dell'istituto di ricerca DAMO di Alibaba Group, hanno recentemente sviluppato un processore quantistico che utilizza qubit di fluxonio, che finora non sono stati la scelta preferita nello sviluppo di computer quantistici per i team del settore. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , dimostra il potenziale del fluxonio per lo sviluppo di circuiti superconduttori ad alte prestazioni.
"Questo lavoro è un passo fondamentale per noi nel far progredire la nostra ricerca sull'informatica quantistica", ha detto a Phys.org Yaoyun Shi, direttore del Quantum Laboratory di Alibaba. "Quando abbiamo iniziato il nostro programma di ricerca, abbiamo deciso di esplorare il fluxonio come elemento costitutivo per i futuri computer quantistici, deviando dalla scelta tradizionale del qubit transmon. Crediamo che questo tipo relativamente nuovo di qubit superconduttore potrebbe andare molto oltre il transmon".
Mentre alcuni studi precedenti avevano già esplorato il potenziale dei processori quantistici basati su qubit di fluxonio, la maggior parte di essi offriva principalmente prove concettuali, che sono state realizzate nei laboratori universitari. Affinché questi "atomi artificiali" siano implementati in veri computer quantistici e competano con i transmoni (cioè i qubit ampiamente utilizzati), tuttavia, dovrebbero dimostrare prestazioni elevate su un'ampia gamma di operazioni, all'interno di un singolo dispositivo. Questo è precisamente l'obiettivo chiave di questo lavoro.
I qubit di fluxonio hanno due caratteristiche che lo distinguono dai transmoni:i loro livelli di energia sono molto più irregolari (cioè "anarmonici") e usano un grande induttore per sostituire il condensatore usato nei transmoni. Entrambi contribuiscono al vantaggio del fluxonio, almeno in teoria, nell'essere più resiliente agli errori, portando a una migliore "coerenza", cioè a trattenere le informazioni quantistiche per un tempo più lungo, e a "una maggiore fedeltà", cioè accuratezza, nella realizzazione di operazioni elementari.
"Si possono immaginare i livelli di energia che formano una scala", ha spiegato Chunqing Deng, che ha guidato lo studio. "I divari di energia sono importanti, perché ogni istruzione quantistica ha un'altezza, o frequenza, e attiva le transizioni tra due livelli quando il tono corrisponde ai loro divari di energia."
In sostanza, quando i primi due gap energetici tra i livelli vengono chiusi, poiché sono in transmon, una "chiamata" per la transizione tra i primi due livelli di energia (cioè, gli stati "0" e "1"), può anche innescare accidentalmente transizioni tra il secondo e il terzo livello. Ciò può portare lo stato al di fuori dello spazio computazionale valido, portando a quello che è noto come errore di dispersione. Nel fluxonio, invece, la distanza che separa il secondo e il terzo "passo" di energia è maggiore, il che riduce il rischio di errori di dispersione.
"In linea di principio, il progetto del fluxonio è semplice:è costituito da due componenti elementari:una 'giunzione Josephson' deviata con un grande induttore, che è simile, infatti, a quella di un transmone, che è una giunzione Josephson deviata con un condensatore", ha detto Chunqing. "La giunzione Josephson è la componente magica che crea in primo luogo l'anarmonicità. Il grande induttore è spesso, come anche nel nostro caso, implementato da un gran numero (nel nostro lavoro, 100) di giunzioni Josephson."
La sostituzione del condensatore con un induttore in fluxonio rimuove le "isole" risultanti dagli elettrodi e la fonte dei "rumori di carica" causati dalle fluttuazioni di carica degli elettroni, rendendo così il fluxonio più a prova di errore. Ciò, tuttavia, a scapito di un'ingegneria molto più impegnativa, a causa della vasta gamma di giunzioni Josephson.
Il vantaggio del fluxonio nell'elevata coerenza può essere notevolmente amplificato per ottenere un'elevata fedeltà del gate se i gate utilizzano poco tempo. Tali porte veloci sono infatti raggiunte attraverso la caratteristica di "sintonizzabilità" dimostrata dai ricercatori. Più precisamente, il divario energetico o "frequenza" tra gli stati "0" e "1" può essere modificato rapidamente, in modo che due qubit possano essere rapidamente portati ad essere "in risonanza", cioè aventi la stessa frequenza. Essere in risonanza è quando i due qubit evolvono insieme per realizzare l'elemento costitutivo più critico di un computer quantistico:le porte a 2 qubit.
Nei test iniziali, è stato riscontrato che la piattaforma quantistica progettata da Chunqing e dai suoi colleghi raggiunge una fedeltà media del gate a un qubit del 99,97% e una fedeltà del gate a due qubit fino al 99,72%. Questi valori sono paragonabili ad alcuni dei migliori risultati ottenuti dai processori quantistici in studi precedenti. Oltre alle porte a uno e due qubit, il team ha anche integrato, in modo solido, altre operazioni di base necessarie per un computer quantistico digitale:ripristino e lettura.
Il processore a 2 qubit sviluppato da questo team di ricercatori potrebbe aprire nuove possibilità per l'uso del fluxonio nell'informatica quantistica, poiché ha notevolmente superato altri processori proof-of-concept introdotti in passato. Il loro lavoro potrebbe ispirare altri team a sviluppare progetti simili, sostituendo transmon con fluxonium qubit.
"Il nostro studio introduce una scelta alternativa al transmone ampiamente adattato", ha detto Chunqing. "Ci auguriamo che il nostro lavoro susciti maggiore interesse nell'esplorazione del fluxonio, in modo che il suo pieno potenziale possa essere sbloccato per ottenere prestazioni significativamente più elevate in termini di fedeltà, il che a sua volta ridurrà significativamente il sovraccarico della realizzazione del calcolo quantistico con tolleranza agli errori. Cosa significa questo è che, per lo stesso compito computazionale, un computer quantistico con fluxonio ad alta fedeltà potrebbe richiedere un numero significativamente inferiore di qubit."
In sostanza, Chunqing e i suoi colleghi hanno dimostrato che i processori basati sul fluxonio potrebbero eseguire calcoli molto più potenti di quelli basati su transmon, utilizzando lo stesso numero di qubit fisici. Nei prossimi studi, il team vorrebbe ampliare il proprio sistema e cercare di renderlo tollerante agli errori pur mantenendo un'alta fedeltà.
"We now plan to validate our hypothesis that fluxonium is indeed a much better qubit than transmon and then march towards the community's next major milestone of realizing fault-tolerance, using ultra-high fidelity flxuonium qubits," Yaoyun added. "We believe fluxonium has the potential to be more widely recognized, as we are not even close to any theoretical limit of high-fidelity operation yet. It is important to keep pushing this direction." + Esplora ulteriormente
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