Esempio di un processo di ricottura LASIQ. (A) Schema dell'impostazione del taglio laser (23). Un laser di seconda generazione armonica a 532 nm è focalizzato in sequenza sulle giunzioni di un processore quantistico multiqubit, con la ricottura termica per ridurre selettivamente le frequenze dei qubit (f01) per evitare le collisioni. (B) Esempio di un reticolo Falcon a 27 qubit sintonizzato. L'f01 previsto finale è rappresentato come una mappa di calore, con le coppie di collisioni NN ad alto rischio iniziali evidenziate e i contorni arancioni che indicano l'f01 iniziale sopra la larghezza di banda della protezione Purcell. Dopo LASIQ, i vincoli di collisione e frequenza vengono risolti. (C) Dettaglio delle ricostruzioni dei qubit. Il pannello inferiore indica l'f01 previsto iniziale (rosso) e finale (blu) che mostra i qubit sintonizzati su set point di frequenza distinti. Il pannello centrale indica la distanza di sintonizzazione (spostamenti negativi monotonici), insieme agli spostamenti target desiderati (diamanti viola), con una deviazione RMS (cioè, precisione di sintonizzazione della resistenza equivalente alla frequenza) di 4,8 MHz, come determinato dall'empirico f01(Rn) correlazioni. Il pannello superiore mostra i corrispondenti spostamenti della resistenza di giunzione, ottenendo intervalli di sintonia fino al 14,2%. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
I fisici quantistici mirano a scalare il numero di qubit durante il calcolo quantistico, pur mantenendo porte quantistiche ad alta fedeltà; questo è un compito impegnativo a causa dei precisi requisiti di frequenza che accompagnano il processo. Attualmente sono attivamente disponibili processori quantistici superconduttori con più di 50 qubit e questi trasmoni a frequenza fissa sono attraenti per la loro lunga coerenza e immunità al rumore. Un transmone è un tipo di qubit di carica superconduttore progettato per avere una sensibilità ridotta al rumore di carica. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Eric J. Zhang e un team di scienziati di IBM Quantum, IBM T.J. Il Watson Research Center, New York, USA, ha utilizzato la ricottura laser per sintonizzare selettivamente i qubit transmon nei modelli di frequenza desiderati. Il team di ricerca ha ottenuto una precisione di sintonizzazione di 18,5 MHz, senza alcun impatto misurabile sulla coerenza quantistica, e prevede di facilitare la ricottura selettiva in questo modo per svolgere un ruolo centrale nelle architetture a frequenza fissa.
Laser annealing di qubit stocasticamente alterati (LASIQ)
I sistemi multi-qubit possono essere costruiti su architetture di elettrodinamica quantistica di circuiti superconduttori per una varietà di applicazioni, inclusa l'implementazione dell'algoritmo di factoring di Shor, simulazioni di chimica quantistica e apprendimento automatico. I ricercatori hanno anche utilizzato la metrica del volume quantistico per tracciare la continua progressione della potenza di elaborazione quantistica per un determinato processore. I fisici quantistici hanno recentemente sviluppato una tecnica per la ricottura laser di qubit stocasticamente alterati, abbreviata LASIQ per aumentare la resa senza collisioni dei reticoli transmon regolando le frequenze dei singoli qubit tramite la ricottura termica laser. In questo lavoro, Zhang et al hanno dimostrato il processo LASIQ come metodo scalabile per ottenere la precisione di sintonizzazione laser prevista. Oltre al numero di qubit ottimizzati, hanno misurato i parametri funzionali dei chip multi-qubit per prestazioni del processore elevate. Durante lo studio, hanno esplorato le capacità di ridimensionamento LASIQ ottimizzando un processore Hummingbird a 65 qubit (accessibile come ibmq_manhattan). Zhang et al. prevedere che il processo LASIQ sarà impiegato come strumento di ottimizzazione della frequenza scalabile per architetture transmon a frequenza fissa nelle future generazioni di sistemi quantistici superconduttori.
Statistiche sui risultati dell'ottimizzazione LASIQ. (A) Distribuzione iniziale (grigio) di qubit che sono stati ottimizzati correttamente per target (arancione). La distanza dal target δRT è il differenziale di sintonia normalizzato alla resistenza target finale RT. Le barre arancioni indicano la distribuzione finale (larghezza bin ridotta di 20 volte per chiarezza) e mostrano i 349 qubit sintonizzati per il successo. (B) Vista espansa della distribuzione arancione mostrata in (A). Il successo di ricottura è definito come una resistenza sintonizzata entro lo 0,3% di RT, che è stata raggiunta da tutti i qubit visualizzati e dall'89,5% dei 390 qubit sintonizzati (dettagli nei materiali supplementari). Le regioni blu/rosse indicano rispettivamente undershoot/overshoot. Un adattamento log-normale è mostrato dalla curva nera, che supporta l'interpretazione dell'ottimizzazione LASIQ come un processo di crescita della resistenza incrementale. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Come prova del concetto, il team ha mostrato la sintonizzazione della frequenza con un processore Falcon a 27 qubit per prevedere gli obiettivi di frequenza. Hanno basato la serie di chip Falcon su un reticolo esagonale pesante ed hanno eseguito tutte le misurazioni in condizioni ambientali per ottenere frequenze sintonizzate. Gli scienziati sono sfuggiti alle collisioni del vicino più vicino con una tolleranza di collisione doppia per migliorare la resa del chip contro l'ibridazione di stato a due qubit. Oltre a evitare le collisioni, il team ha ottimizzato tutti i target per prevenire il rilassamento radiativo dei qubit. Dopo aver completato il processo LASIQ, hanno raffreddato il processore quantistico e sottoposto a screening la coerenza e la fedeltà del gate a uno o due qubit, nonché la valutazione del volume quantistico.
Gli scienziati hanno affrontato i limiti della precisione dell'ottimizzazione LASIQ come limitazioni del processo stesso. Ad esempio, quando Zhang et al hanno analizzato un ampio campione di 390 qubit sintonizzati, 349 di essi potrebbero essere sintonizzati con successo per raggiungere un tasso di successo dell'ottimizzazione dell'89,5 percento durante l'esperimento. Il lavoro ha mostrato come LASIQ fornisse un processo di rifilatura post-fabbricazione praticabile per il ridimensionamento ad alto rendimento di processori transmon a frequenza fissa. Il risultato offre più spazio per migliorare le previsioni di frequenza per raggiungere una maggiore precisione di sintonizzazione.
Precisione di assegnazione della frequenza basata su aggregati statistici di processori Falcon a 27 qubit e Hummingbird a 65 qubit sintonizzati. (A) Correlazione tra resistenza (Rn) e frequenza (f01) per un processore Hummingbird sintonizzato. Le misurazioni criogeniche f01 sono tracciate rispetto alle resistenze di giunzione misurate Rn, con una curva power-law sovrapposta ai dati misurati. Sono rappresentati sia i qubit sintonizzati (49 qubit) che quelli non sintonizzati (16). L'inserto mostra un istogramma di residui con una SD di 18,6 MHz, che indica la precisione pratica a cui possiamo assegnare le frequenze dei qubit. (B) Il pannello superiore mostra l'analisi di precisione statistica eseguita per un totale di 241 qubit sintonizzati da una combinazione di chip Falcon e Hummingbird, con i residui f01 aggregati dalle singole regressioni della legge di potenza per ciascun chip. Il pannello inferiore mostra un'analisi identica eseguita per 117 qubit non ottimizzati di entrambe le famiglie di processori. Le misurazioni criogeniche f01 producono rispettivamente una diffusione di 18,5 e 18,1 MHz per qubit sintonizzati e non sintonizzati, indicando che il processo LASIQ non influisce in modo significativo sulla diffusione complessiva delle frequenze dei qubit prima dei processi preparatori di pulizia, incollaggio e raffreddamento del chip. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Impatto dell'ottimizzazione LASIQ sul rilassamento dei qubit (T1, rosso) e sfasamento (T2, blu), utilizzando processori Hummingbird compositi (parzialmente sintonizzati). Vengono analizzate le coerenze dei qubit su quattro chip Hummingbird. Su ciascun chip, sono stati misurati simultaneamente sia i qubit non ottimizzati che quelli sintonizzati, per un campione statistico totale di 59 qubit non ottimizzati e 162 sintonizzati. (A) Box plot delle distribuzioni T1 e T2 (con intervallo di box interquartile, dal 10 al 90% di baffi, dall'1 al 99% di valori anomali indicati da croci e minimi/massimi da indicatori orizzontali). Le distribuzioni di coerenza non mostrano differenze statisticamente significative nelle popolazioni di qubit non ottimizzate rispetto alle popolazioni di qubit sintonizzate con LASIQ. (B) Illustra questo confronto come un grafico quantile-quantile (QQ) delle distribuzioni T1 e T2. Ogni punto rappresenta un confronto tra quantili stimati dall'insieme di 59 qubit non ottimizzati rispetto ai quantili interpolati dei 162 qubit sintonizzati. Una buona linearità rispetto alla pendenza unitaria indica una stretta corrispondenza delle distribuzioni di coerenza nelle popolazioni di qubit sintonizzati e non sintonizzati. I valori medi concordano saldamente entro i limiti di errore statistico. Per qubit sintonizzati (non sintonizzati), 〈T1〉 =80 ± 16 μs (76 ± 15 μs) e 〈T2〉 =68 ± 25 μs (70 ± 26 μs). Gli ovali ombreggiati sono centrati sui tempi di coerenza medi e hanno estensione 1-σ nei tempi di rilassamento e sfasamento. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Coerenza Qubit e fedeltà al gate
Per determinare l'effetto della sintonizzazione laser sulla coerenza dei qubit (una proprietà unica di un sistema quantistico), gli scienziati hanno utilizzato un set composito di quattro processori Hummingbird raffreddati e ne hanno aumentato la coerenza. Hanno osservato una buona corrispondenza, indicando un effetto trascurabile del processo LASIQ sulla coerenza dei qubit. Come dimostrazione pratica delle capacità di ottimizzazione di LASIQ, Zhang et al hanno ottimizzato al laser un processore Hummingbird da 65 qubit, operativamente accessibile dal cloud come ibmq_manhattan. Hanno generato il piano di ottimizzazione LASIQ evitando le degenerazioni del livello del vicino più vicino, pur mantenendo la separazione dei livelli nel regime a cavallo. Gli scienziati hanno raffreddato il processore a 65 qubit dopo LASIQ e hanno misurato le frequenze dei qubit con la densità di detuning della frequenza tra coppie di gate a due qubit. I risultati hanno generato un rendimento del 100% delle porte funzionanti a due qubit, ulteriori lavori determineranno gli esatti vincoli di collisione e identificheranno regimi di ottimizzazione ad alta fedeltà con dimensioni del reticolo progressivamente aumentate.
Errori di gate di un processore Hummingbird a 65 qubit dopo l'ottimizzazione LASIQ. (A) Distribuzione della separazione f01 a due qubit sintonizzata (arancione), insieme alla distribuzione iniziale (pre-LASIQ) (blu), che indica un'elevata densità di collisioni ed errori di gate prima dell'ottimizzazione LASIQ. (B) Raggiunto la distribuzione ZZ dopo l'ottimizzazione LASIQ, indicando una separazione ben adattata vicino al detuning nullo (collisione NN di tipo 1), pur mantenendo una stretta diffusione ZZ con una mediana di 69 kHz. Uno stimatore della densità del kernel (KDE) viene utilizzato per calcolare la densità di probabilità ZZ (a destra). (C) Errori di gate CNOT (Controlled NOT) misurati in funzione della detuning di due qubit (punti arancioni), ottenendo una fedeltà del gate mediana del 98,7% per Hummingbird sintonizzato su LASIQ (la distribuzione KDE degli errori di gate corrispondente è mostrata sul pannello di destra). Le regioni ombreggiate (grigie) indicano proiezioni approssimative del tasso di errore basate sulla modellazione dell'errore di gate CR (35), che incorporano parametri di interazione qubit tipici (frequenza e anarmonicità, accoppiamento qubit e tempi di gate), con impulsi di eco rotanti opzionali per la minimizzazione degli errori. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Prospettiva
In questo modo, Adam J. Zhang e colleghi hanno ottenuto un significativo miglioramento della resa e un'elevata fedeltà del gate a due qubit per i tipi di processori quantistici IBM Falcon e Hummingbird. Sulla base dei risultati, hanno evidenziato l'influenza di LASIQ:ricottura laser di qubit stocasticamente alterati; un metodo affettivo di sintonizzazione della frequenza post-fabbricazione. Il metodo può essere applicato a processi multi-qubit basati su architetture transmon a frequenza fissa. Il metodo offre una soluzione scalabile al problema dell'affollamento di frequenza, con adattabilità per scalare qubit in processori quantistici progressivamente più grandi. Il lavoro futuro includerà piani di messa a punto per ridurre al minimo gli errori delle collisioni tra vicini e spettatori per una resa massima. + Esplora ulteriormente
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