La nuova architettura dei chip offre la speranza di espandere gli array di qubit superconduttori – Physics World

Scienziati negli Stati Uniti hanno introdotto una nuova e ingegnosa architettura di chip quantistici che riduce significativamente i disturbi causati dai segnali utilizzati per controllare i circuiti superconduttori di bit quantistici (qubit). Guidato da Chuan Hong Liu ed Robert McDermott dell'Università del Wisconsin, il team hanno dimostrato che il nuovo modulo multichip (MCM) riduce gli errori di gate di quasi un fattore 10 rispetto ai progetti precedenti che utilizzavano lo stesso sistema di controllo, rendendolo un valido concorrente delle tecnologie standard.

Tra i numerosi sistemi fisici che i ricercatori stanno esplorando come potenziali "mattoni" per un computer quantistico scalabile, il qubit superconduttore si distingue per il suo tempo di coerenza elevato (una misura di quanto tempo rimane in uno stato quantistico) e la fedeltà (una misura di quanto siano esenti da errori le sue operazioni). Ma per quanto potente possa essere il calcolo quantistico superconduttore, sbloccare il suo pieno potenziale richiederà più di 1 milione di qubit fisici. Ciò rappresenta una sfida, poiché il sistema qubit superconduttore richiede ingombranti refrigeratori criogenici e sofisticati apparati di controllo delle microonde per funzionare.

Un modo per semplificare questo apparato di controllo sarebbe quello di controllare i qubit utilizzando le più piccole unità di campo magnetico – i quanti di flusso – invece delle microonde. Le porte quantistiche basate su questa tecnologia logica digitale a flusso singolo (SFQ), come è noto, utilizzano una sequenza di impulsi di flusso quantizzati con una temporizzazione tra gli impulsi calibrata con precisione sul periodo di oscillazione del qubit. Questo metodo è efficiente dal punto di vista energetico, compatto e capace di operazioni ad alta velocità, rendendolo un candidato ideale per l'integrazione in circuiti multiqubit.

Un problema velenoso

Il problema è che il circuito SFQ deve essere posizionato vicino ai qubit, il che porta inevitabilmente a un fenomeno chiamato avvelenamento da quasiparticelle durante la generazione dell’impulso. Questo avvelenamento da quasiparticelle induce rilassamenti, eccitazioni e interruzioni indesiderate nel circuito superconduttore, diminuendo la durata della vita del qubit.

Per aggirare questa sfida, Liu e colleghi hanno adottato l’architettura MCM. In questa configurazione, il driver SFQ e i circuiti qubit risiedono su chip separati. Questi chip sono impilati uno sopra l'altro con uno spazio di 6.4 micrometri tra loro e sono legati insieme utilizzando interconnessioni note come In-bump. La separazione fisica tra i due chip offre numerosi vantaggi. Agisce principalmente come barriera, impedendo alle quasiparticelle di dissiparsi direttamente dal driver SFQ al qubit. Inoltre, impedisce a un’altra fonte di disturbi – i fononi, che sono vibrazioni atomiche o molecolari – di viaggiare attraverso il materiale, poiché i legami In-bump offrono una sorta di resistenza alla loro propagazione. Grazie a questa resistenza, queste vibrazioni vengono efficacemente disperse e non riescono a raggiungere il chip qubit.

Miglioramento dell'ordine di grandezza

Nelle prove iniziali della logica digitale SFQ utilizzando un design su chip, l'errore medio del gate dei qubit era del 9.1%. Grazie all’MCM, il team di Liu e McDermott ha abbassato questo valore all’1.2% – quasi un miglioramento di un ordine di grandezza.

Il mio Qubit preferito: simulazione quantistica e calcolo con qubit superconduttori

Come obiettivo futuro, i ricercatori del Wisconsin e i loro colleghi della Syracuse University, del National Institute of Standards and Technology, dell’Università del Colorado e del Lawrence Livermore National Laboratory mirano a ridurre ulteriormente le fonti di avvelenamento da quasiparticelle. Sperimentando altri progetti adatti e ottimizzando ulteriormente i treni di impulsi SFQ, il team afferma che potrebbe essere possibile ridurre gli errori di gate fino allo 0.1% o addirittura allo 0.01%, rendendo SFQ un percorso promettente verso il raggiungimento della scalabilità nei qubit superconduttori e lo sblocco della tecnologia. potenza di calcolo esponenziale dei computer quantistici tolleranti ai guasti.

La ricerca è pubblicata in PRX quantistico.

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