В России создали фундаментальный элемент масштабируемых квантовых процессоров
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied.
Кубиты — это квантовые аналоги битов, способные находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в их суперпозиции. Для выполнения вычислений кубиты должны взаимодействовать друг с другом, вступая в своего рода диалог. Этот диалог управляется с помощью квантовых вентилей — аналогов логических операций в классических компьютерах. Создание быстрых и точных двухкубитных вентилей является одной из самых сложных задач в квантовых технологиях. Проблема в том, что кубиты — чрезвычайно хрупкие объекты.
Любое нежелательное взаимодействие, даже самое незначительное, может привести к ошибкам в вычислениях. Это явление похоже на эхо в концертном зале: если один инструмент звучит слишком громко или не вовремя, он мешает другим, и гармония нарушается. В мире сверхпроводниковых квантовых процессоров одной из таких помех является так называемое остаточное ZZ-взаимодействие, которое присутствует тогда, когда кубиты должны быть полностью изолированы друг от друга.
Именно эту проблему и взялся решить коллектив российских физиков. Их цель состояла в том, чтобы спроектировать 8-кубитный процессор. Для этого исследователи разработали новую архитектуру, состоящую из двух сверхпроводниковых трансмонных кубитов и соединяющего их инновационного трехмодового элемента связи, или каплера. Этот каплер, выполненный в виде копланарного волновода со встроенным сверхпроводящим квантовым интерферометром (СКВИД) в центре, стал сердцем устройства. СКВИД, по сути, является перестраиваемым контуром, чувствительным к подаваемому напряжению, что позволяет использовать его как сверхточную «ручку настройки» для управления силой взаимодействия между кубитами.
Суть эксперимента заключалась в том, чтобы сравнить, как меняется населенность (и, соответственно, результат измерения) кубита B в зависимости от того, в каком состоянии находится кубит A. Разница частот осцилляций двух этих измерений и есть искомая сила ZZ-взаимодействия.
В ходе эксперимента ученые продемонстрировали, что их архитектура позволяет выполнять нативную двухкубитную операцию CZ (управляемое Z) за короткое время — всего 60 наносекунд. Точность, или как говорят физики, достоверность операции, превысила 98%, что является высоким показателем для такой длительности.
Елена Егорова, выпускник Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ, рассказала: «Основная трудность при создании многокубитных процессоров — это баланс между сильным взаимодействием, необходимым для быстрых операций, и слабым остаточным взаимодействием в режиме ожидания. Предложенный трехмодовый каплер позволяет добиться широкого диапазона перестройки связи между кубитами, при этом он значительно менее чувствителен к неизбежным погрешностям параметров при изготовлении чем большинство других существующих подходов. Описанная двухкубитная система является составной частью сверхпроводникового 8-кубитного процессора, на котором был выполнен ряд успешных экспериментов, включая алгоритм детектирования квантовых ошибок».
Ключевая особенность предложенного соединителя заключается в его устойчивости к несовершенствам производства. Многие предыдущие конструкции требовали создания джозефсоновских переходов — ключевых элементов сверхпроводниковых цепей — с очень точным и контролируемым различием в параметрах, что является сложной технологической задачей. Новая трехмодовая схема не имеет такой строгой зависимости от асимметрии переходов, что значительно упрощает ее воспроизводимое изготовление и открывает дорогу к созданию более крупных и стабильных квантовых процессоров.
Ученые не только создали и измерили устройство, но и построили его полную численную модель, которая показала отличное совпадение с экспериментальными данными. Моделирование также предсказало, что при дальнейшей оптимизации параметров и процессов изготовления точность двухкубитных операций на основе этого элемента может быть доведена до 99,97%. Разработка была использована для создания 8-кубитного квантового процессора.
Сообщение В России создали фундаментальный элемент масштабируемых квантовых процессоров появились сначала на Время электроники.