Zespół z Jülich wykonuje bramki na transmonie w 6,8 ns z wiernością ponad 99,98%

Naukowcy z Jülich, Akwizgranu i Kolonii opisują w Nature Communications ultraszybkie bramki jednokubitowe z metodą impulsów tłumiącą wyciek wielofotonowy.

Ta strona została przetłumaczona z angielskiego. Nazwy firm i produktów oraz linki do źródeł pozostają bez zmian. Przeczytaj oryginał po angielsku

Fizycy z Forschungszentrum Jülich, we współpracy z RWTH Aachen University i Uniwersytetem w Kolonii, wykonali operacje jednokubitowe na kubicie nadprzewodzącym w 6,8 nanosekundy, zachowując dokładność powyżej 99,98%. Wynik, opublikowany w Nature Communications pod tytułem Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal, opiera się na nowym sposobie kształtowania mikrofalowych impulsów sterujących. Według komunikatu Jülich takie operacje trwają zwykle kilkadziesiąt nanosekund w maszynach nadprzewodzących.

Co ogłoszono

Dwie podstawowe bramki wykonano na pojedynczym kubicie transmonowym wytworzonym w Helmholtz Nano Facility w Jülich, każdą sterowaną impulsem mikrofalowym trwającym 6,8 nanosekundy. Zmierzone wierności wyniosły 99,981% i 99,989%, a prawdopodobieństwo przejścia kubitu na wyższy poziom energetyczny pozostało poniżej 0,002% na operację, podaje instytut. Quantum Computing Report identyfikuje bramki jako X i X/2 i podaje, że wierności zmierzono za pomocą przeplatanego randomizowanego benchmarkingu. Prace prowadzono w ramach QSOLID, niemieckiego konsorcjum krajowego koordynowanego przez Jülich.

Szczegóły techniczne

Szybkość ma znaczenie, bo kubity utrzymują stan tylko przez krótki czas: szybsze bramki pozwalają zmieścić w tym oknie więcej operacji, w tym cykle korekcji błędów. Krótsze impulsy muszą jednak być silniejsze, a transmony mają poziomy energetyczne powyżej dwóch używanych do obliczeń. Zespół z Jülich odkrył, że silne, szybkie impulsy mogą wypchnąć kubit nie tylko o jedno piętro za wysoko, ale o dwa lub trzy piętra wyżej poprzez przejścia wielofotonowe – efekt, który według komunikatu wcześniej pomijano i który może utrzymywać się przez wiele kroków obliczeń i zakłócać korekcję błędów.

Nowa metoda, R2D, bazuje na DRAG, standardowej technice korekcji impulsów stosowanej od ponad dekady. Kształtuje impulsy tak, by odfiltrować składowe częstotliwości wywołujące niepożądane przejścia, a zamierzona operacja nadal zachodziła. W porównaniu ze standardową metodą R2D zmniejsza prawdopodobieństwo przejść wielofotonowych ponad 20-krotnie, według badaczy. QCR podaje, że pozostały błąd bramki jest ograniczony przez dekoherencję, a nie przez błędy sterowania.

Pracami eksperymentalnymi kierowali Yuan Gao i Rami Barends w PGI-13 Peter Grünberg Institute, a teorię opracowali José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López i Felix Motzoi z PGI-8.

Dlaczego to ważne

Szybsze bramki bez utraty dokładności dają schematom korekcji błędów więcej zapasu, zanim kubity utracą koherencję, a tłumienie wycieku jest szczególnie cenne, bo stany, które „wyciekły”, są trudne do obsłużenia przez standardowe kody.

Na co zwrócić uwagę

Badacze podkreślają, że technikę przetestowano dotąd tylko na pojedynczym, odizolowanym kubicie. Kolejne eksperymenty muszą pokazać, czy sprawdzi się w większych procesorach, gdzie problemem stają się przesłuchy i zatłoczenie częstotliwości, oraz przy operacjach dwukubitowych.