Neue Chip-Architektur bietet Hoffnung für die Skalierung supraleitender Qubit-Arrays – Physics World

Wissenschaftler in den USA haben eine geniale neue Quantenchip-Architektur eingeführt, die Störungen durch die Signale, die zur Steuerung supraleitender Quantenbit-Schaltkreise (Qubits) verwendet werden, erheblich reduziert. Angeführt von Chuan Hong Liu und Robert McDermott der University of Wisconsin, die Team zeigte, dass das neue Multichip-Modul (MCM) Gate-Fehler im Vergleich zu früheren Designs, die das gleiche Steuerungssystem verwendeten, um fast den Faktor 10 reduziert, was es zu einem echten Konkurrenten für Standardtechnologien macht.

Von den vielen physikalischen Systemen, die Forscher als potenzielle „Bausteine“ für einen skalierbaren Quantencomputer erforschen, sticht das supraleitende Qubit aufgrund seiner hohen Kohärenzzeit (ein Maß dafür, wie lange es in einem Quantenzustand verbleibt) und Wiedergabetreue (ein Maß dafür) hervor wie fehlerfrei der Betrieb ist). Aber so leistungsfähig das supraleitende Quantencomputing auch sein kann, um sein volles Potenzial auszuschöpfen, sind mehr als 1 Million physikalische Qubits erforderlich. Dies stellt eine Herausforderung dar, da für den Betrieb des supraleitenden Qubit-Systems sperrige kryogene Kühler und hochentwickelte Mikrowellen-Steuergeräte erforderlich sind.

Eine Möglichkeit, diesen Kontrollapparat zu vereinfachen, wäre die Steuerung der Qubits mithilfe kleinster Magnetfeldeinheiten – Flussquanten – anstelle von Mikrowellen. Quantengatter, die auf dieser sogenannten SFQ-Digitallogiktechnologie (Single Flux Quantum) basieren, verwenden eine Folge quantisierter Flussimpulse mit einem Timing zwischen den Impulsen, das genau auf die Schwingungsperiode des Qubits abgestimmt ist. Diese Methode ist energieeffizient, kompakt und für Hochgeschwindigkeitsoperationen geeignet, was sie zu einem idealen Kandidaten für die Integration in Multiqubit-Schaltkreise macht.

Ein giftiges Problem

Das Problem besteht darin, dass die SFQ-Schaltung in der Nähe der Qubits platziert werden muss, was bei der Pulserzeugung unweigerlich zu einem Phänomen namens Quasiteilchenvergiftung führt. Diese Quasiteilchenvergiftung führt zu unerwünschten Entspannungen, Anregungen und Störungen im supraleitenden Schaltkreis, was die Lebensdauer des Qubits verkürzt.

Um diese Herausforderung zu umgehen, haben Liu und Kollegen die MCM-Architektur übernommen. In diesem Aufbau befinden sich der SFQ-Treiber und die Qubit-Schaltkreise auf separaten Chips. Diese Chips werden mit einem Abstand von 6.4 Mikrometern übereinander gestapelt und über Verbindungen, sogenannte In-Bumps, miteinander verbunden. Die physische Trennung zwischen den beiden Chips bietet mehrere Vorteile. Es fungiert hauptsächlich als Barriere und verhindert, dass Quasiteilchen direkt vom SFQ-Treiber zum Qubit zerstreut werden. Darüber hinaus wird verhindert, dass sich eine andere Störungsquelle – Phononen, bei denen es sich um atomare oder molekulare Schwingungen handelt – durch das Material ausbreitet, da die In-Bump-Bindungen ihrer Ausbreitung eine Art Widerstand entgegensetzen. Dank dieses Widerstands werden diese Schwingungen effektiv gestreut und daran gehindert, den Qubit-Chip zu erreichen.

Verbesserung um Größenordnung

In ersten Versuchen der digitalen SFQ-Logik mit einem On-Chip-Design betrug der durchschnittliche Qubit-Gate-Fehler 9.1 %. Dank des MCM konnte das Team von Liu und McDermott diesen Wert auf 1.2 % senken – eine Verbesserung um fast eine Größenordnung.

Mein Lieblings-Qubit: Quantensimulation und -berechnung mit supraleitenden Qubits

Als zukünftiges Ziel wollen die Forscher aus Wisconsin und ihre Kollegen von der Syracuse University, dem National Institute of Standards and Technology, der University of Colorado und dem Lawrence Livermore National Laboratory die Quellen der Quasiteilchenvergiftung weiter reduzieren. Durch das Experimentieren mit anderen geeigneten Designs und die weitere Optimierung der SFQ-Pulszüge könnte es laut dem Team möglich sein, Gate-Fehler auf nur 0.1 % oder sogar 0.01 % zu reduzieren, was SFQ zu einem vielversprechenden Weg zur Erreichung der Skalierbarkeit supraleitender Qubits und zur Erschließung dieser macht exponentielle Rechenleistung fehlertoleranter Quantencomputer.

Die Forschung wird veröffentlicht in PRX-Quantum.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/