In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Peter A. Spring e un team di scienziati di fisica dell'Università di Oxford hanno descritto la coerenza dei qubit e gli errori di cross-talk bassi e gate di un singolo qubit nell'architettura di qubit superconduttiva, adatta per reticoli bidimensionali (2D) di qubit. La configurazione sperimentale prevedeva un involucro di cavità shunt induttivamente con cablaggio di controllo non galvanico, fuori piano, qubit e risonatori fabbricati su lati opposti di un substrato. Gli scienziati hanno sviluppato un dispositivo proof-of-concept con quattro qubit transmon disaccoppiati, ovvero un qubit caricato superconduttore con sensibilità ridotta al rumore di carica, per mostrare caratteristiche specifiche misurate tramite benchmarking randomizzato simultaneo. La natura tridimensionale integrata del cablaggio di controllo ha consentito al qubit di rimanere indirizzabile poiché l'architettura formava reticoli di qubit più grandi.

Architetto quantistico

Gli sforzi per costruire reticoli tridimensionali (3D) con moltitudini di qubit altamente coerenti racchiusi sono una sfida hardware eccezionale. I ricercatori hanno precedentemente sviluppato circuiti superconduttori come piattaforma promettente per realizzare tali reticoli e formare un set di porte universali. In genere, devono essere soddisfatte due serie di requisiti per ridimensionare tali reticoli superconduttori, incluso un metodo per instradare il cablaggio di controllo al circuito consentendo a tutti i qubit di rimanere indirizzabili e misurabili, impedendo al contempo l'emergere di modalità spurie a bassa frequenza all'interno del circuito con dimensioni crescenti. Il processo di ridimensionamento dovrebbe anche impedire la decoerenza dei canali verso i qubit ed essere compatibile con le fedeltà di gate oltre la soglia dei codici di correzione dell'errore quantistico. I fisici avevano precedentemente superato i limiti di cablaggio dei circuiti collegati ai bordi tramite il cablaggio di controllo integrato 3D come soluzione pratica. In alternativa, i circuiti possono essere racchiusi in cavità derivate induttivamente in due dimensioni con una frequenza di taglio in modalità cavità. Spring et al hanno presentato risultati sperimentali relativi a quest'ultimo concetto su un circuito proof-of-principio a quattro qubit, in cui l'architettura del circuito prevedeva cablaggio di controllo fuori piano integrato 3D, qubit e risonatori di lettura fabbricati su lati opposti di un substrato. Il team ha anche incluso una nuova funzionalità chiave per la compatibilità con i tempi di coerenza transmon, che superano i 100 µs, bassi cross-talk ed errori di gate a qubit singolo.

I ricercatori hanno ottenuto immagini del recinto e del circuito della cavità, in cui la base del recinto manteneva un unico "pilastro" centrale e un coperchio contenente un incavo cilindrico corrispondente riempito con una sfera di indio. Hanno disposto i quattro qubit transmon coassiali in un reticolo 2 x 2 con una spaziatura di 2 mm e quindi hanno implementato un progetto di cablaggio fuori piano con un design shunt induttivo e un layout del circuito, in cui ciascun risonatore era allineato coassialmente e accoppiato capacitivamente, a un qubit. La configurazione ha consentito agli elettrodi di qubit di essere "galleggiante elettricamente". Il team ha ottenuto i parametri del circuito di base e caratterizzato il cross-talk del dispositivo, in cui il dispositivo era una dimostrazione di principio dell'architettura del circuito senza accoppiamenti intenzionali, tranne che tra coppie di qubit-risonatore. Di conseguenza, Spring et al. hanno identificato tutti gli altri accoppiamenti come diafonia indesiderata. Il team ha quindi definito i termini del cross-talk e ha riassunto gli accoppiamenti trasversali parassitari sperimentali e simulati nel dispositivo, seguiti da misurazioni sperimentali della selettività della linea di controllo dei qubit e della selettività della linea di controllo del risonatore. Hanno anche misurato l'accoppiamento parassitario qubit-risonatore per comprendere lo spostamento dispersivo parassitario tra qubit e risonatore. Seguito da benchmark randomizzato a singolo qubit eseguito su tutti e quattro i qubit separatamente e contemporaneamente. Il team ha condotto ciascuno dei 31 x 80 esperimenti, 5.000 volte per costruire statistiche e ha presentato le risultanti porte di errore per fisico, e ha anche eseguito benchmark randomizzati correlati basati su dati sperimentali simultanei. Per le simulazioni della struttura della banda, Spring et al hanno analizzato il modello del simulatore di struttura ad alta frequenza di una cella unitaria che conteneva le dimensioni ideali della regione centrale di 2 mm x 2 mm del dispositivo. Hanno quindi mappato la struttura della banda durante le simulazioni, raccogliendo dettagli sulla frequenza di taglio analitica, sulla curvatura della banda e sulla pelle del plasma e sulle previsioni di profondità all'interno della configurazione.

Prospettiva

In questo modo, Peter A. Spring e colleghi hanno analizzato i tempi medi di coerenza dei qubit e la fedeltà simultanea del gate a qubit singolo in una dimostrazione a quattro qubit di un'architettura di circuito superconduttore 3D. Prima dell'inclusione dei circuiti di accoppiamento dei qubit, il team ha fortemente soppresso la diafonia residua della configurazione. Il dispositivo ottimizzato previsto è applicabile per studiare gli errori correlati generati da radiazioni ad alta energia in reticoli di qubit con elevata coerenza e diafonia soppressa in modo esponenziale. L'attuale architettura conteneva un involucro di cavità shunt induttivamente che circondava strettamente il circuito, combinato con cablaggio di controllo fuori piano integrato 3D e risonatori di lettura sul lato opposto. I risultati hanno evidenziato il basso cross-talk della configurazione sperimentale. Il pacchetto della custodia è riutilizzabile rimodellando la sfera di indio nella rientranza del coperchio; tuttavia, il circuito non era legato all'involucro e quindi non poteva essere rimosso e rimontato. Gli scienziati hanno evidenziato diverse carenze del dispositivo presentato, inclusi i tassi di decadimento del risuonatore esterno piccoli e variabili e gli spostamenti dispersivi che non erano ottimali per le letture dei qubit. Primavera et al. ha attribuito la maggiore coerenza nella configurazione al processo di fabbricazione, che differiva dalle precedenti implementazioni dell'architettura. + Esplora ulteriormente

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