Ny brikkearkitektur gir håp om å skalere opp superledende qubit-matriser – Physics World

Forskere i USA har introdusert en genial ny kvantebrikkearkitektur som betydelig reduserer forstyrrelser forårsaket av signalene som brukes til å kontrollere superledende kvantebit-kretser (qubit). Ledet av Chuan Hong Liu og Robert McDermott ved University of Wisconsin, den lag viste at den nye multichip-modulen (MCM) reduserer portfeil med nesten en faktor 10 sammenlignet med tidligere design som brukte samme kontrollsystem, noe som gjør den til en levedyktig konkurrent til standardteknologier.

Av de mange fysiske systemene forskere utforsker som potensielle "byggesteiner" for en skalerbar kvantedatamaskin, skiller den superledende qubiten seg ut på grunn av sin høye koherenstid (et mål på hvor lenge den forblir i en kvantetilstand) og troskap (et mål på hvor feilfri driften er). Men så kraftig som superledende kvantedatabehandling kan være, vil det kreve mer enn 1 million fysiske qubits for å låse opp dets fulle potensial. Dette byr på en utfordring, ettersom det superledende qubit-systemet krever store kryogene kjølere og sofistikert mikrobølgekontrollapparat for å fungere.

En måte å forenkle dette kontrollapparatet på ville være å kontrollere qubitene ved å bruke de minste enhetene av magnetfelt – flukskvanter – i stedet for mikrobølger. Kvanteporter basert på denne digitale logikkteknologien med enkeltflux-kvante (SFQ), som den er kjent, bruker en sekvens av kvantiserte flukspulser med en inter-pulstiming nøyaktig kalibrert til qubitens oscillasjonsperiode. Denne metoden er energieffektiv, kompakt og i stand til høyhastighetsoperasjoner, noe som gjør den til en ideell kandidat for integrering i multiqubit-kretser.

Et giftig problem

Problemet er at SFQ-kretsen må plasseres nær qubitene, noe som uunngåelig fører til et fenomen som kalles kvasipartikkelforgiftning under pulsgenerering. Denne kvasipartikkelforgiftningen induserer uønskede avslapninger, eksitasjoner og forstyrrelser i den superledende kretsen, og reduserer qubitens levetid.

For å omgå denne utfordringen, tok Liu og kollegene i bruk MCM-arkitekturen. I dette oppsettet ligger SFQ-driveren og qubit-kretsene på separate brikker. Disse brikkene er stablet oppå hverandre med et gap på 6.4 mikrometer mellom og er bundet sammen ved hjelp av sammenkoblinger kjent som In-bumps. Den fysiske separasjonen mellom de to sjetongene gir flere fordeler. Den fungerer hovedsakelig som en barriere, og hindrer kvasipartikler fra å spre seg direkte fra SFQ-driveren til qubiten. I tillegg forhindrer det en annen kilde til forstyrrelser – fononer, som er atomære eller molekylære vibrasjoner – fra å bevege seg gjennom materialet, ettersom In-bump-bindingene gir en slags motstand mot deres forplantning. Takket være denne motstanden blir disse vibrasjonene effektivt spredt og forhindret fra å nå qubit-brikken.

Forbedring i størrelsesorden

I innledende forsøk med SFQ digital logikk ved bruk av en on-chip design, var den gjennomsnittlige qubit gate feilen 9.1%. Takket være MCM reduserte Liu og McDermotts team dette til 1.2 % – nesten en forbedring i størrelsesorden.

Min favoritt Qubit: kvantesimulering og beregning med superledende qubits

Som et fremtidig mål har Wisconsin-forskerne og deres kolleger ved Syracuse University, National Institute of Standards and Technology, University of Colorado og Lawrence Livermore National Laboratory som mål å ytterligere redusere kildene til kvasipartikkelforgiftning. Ved å eksperimentere med andre passende design og ytterligere optimalisere SFQ-pulstogene, sier teamet at det kan være mulig å redusere portfeil til så lave som 0.1 % eller til og med 0.01 %, noe som gjør SFQ til en lovende vei mot å oppnå skalerbarhet i superledende qubits og låse opp eksponentiell datakraft til feiltolerante kvantedatamaskiner.

Forskningen er publisert i PRX Quantum.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/