Nova arquitetura de chip oferece esperança para ampliação de matrizes qubit supercondutoras – Physics World

Cientistas nos EUA introduziram uma nova e engenhosa arquitetura de chip quântico que reduz significativamente os distúrbios causados ​​pelos sinais usados ​​para controlar circuitos supercondutores de bits quânticos (qubit). Liderado por Chuan Hong Liu e Robert McDermott da Universidade de Wisconsin, o Profissionais mostraram que o novo módulo multichip (MCM) reduz os erros de porta em quase um fator de 10 em comparação com projetos anteriores que usavam o mesmo sistema de controle, tornando-o um concorrente viável para tecnologias padrão.

Dos muitos sistemas físicos que os pesquisadores estão explorando como potenciais “blocos de construção” para um computador quântico escalável, o qubit supercondutor se destaca devido ao seu alto tempo de coerência (uma medida de quanto tempo permanece em um estado quântico) e fidelidade (uma medida de quão isentas de erros são suas operações). Mas por mais poderosa que a computação quântica supercondutora possa ser, desbloquear todo o seu potencial exigirá mais de 1 milhão de qubits físicos. Isso representa um desafio, já que o sistema qubit supercondutor exige resfriadores criogênicos volumosos e sofisticados aparelhos de controle de micro-ondas para operar.

Uma forma de simplificar este aparato de controle seria controlar os qubits usando as menores unidades de campo magnético – fluxo quanta – em vez de microondas. As portas quânticas baseadas nesta tecnologia lógica digital quântica de fluxo único (SFQ), como são conhecidas, usam uma sequência de pulsos de fluxo quantizados com um tempo entre pulsos calibrado com precisão para o período de oscilação do qubit. Este método é energeticamente eficiente, compacto e capaz de operações em alta velocidade, tornando-o um candidato ideal para integração em circuitos multiqubit.

Um problema venenoso

O problema é que o circuito SFQ deve ser colocado próximo aos qubits, o que inevitavelmente leva a um fenômeno denominado envenenamento por quasipartículas durante a geração de pulso. Este envenenamento por quasipartículas induz relaxamentos, excitações e interrupções indesejadas no circuito supercondutor, diminuindo a vida útil do qubit.

Para contornar este desafio, Liu e colegas adotaram a arquitetura MCM. Nesta configuração, o driver SFQ e os circuitos qubit residem em chips separados. Esses chips são empilhados uns sobre os outros com um espaço de 6.4 micrômetros entre eles e são unidos por meio de interconexões conhecidas como In-bumps. A separação física entre os dois chips oferece diversas vantagens. Ele atua principalmente como uma barreira, evitando que as quasipartículas se dissipem diretamente do driver SFQ para o qubit. Além disso, evita que outra fonte de perturbações – fônons, que são vibrações atômicas ou moleculares – viaje através do material, já que as ligações In-bump oferecem uma espécie de resistência à sua propagação. Graças a esta resistência, estas vibrações são efetivamente dispersas e impedidas de atingir o chip qubit.

Melhoria de ordem de grandeza

Em testes iniciais de lógica digital SFQ usando um design on-chip, o erro médio da porta qubit foi de 9.1%. Graças ao MCM, a equipe de Liu e McDermott reduziu esse valor para 1.2% – quase uma melhoria de ordem de magnitude.

Meu Qubit Favorito: simulação quântica e computação com qubits supercondutores

Como objetivo futuro, os pesquisadores de Wisconsin e seus colegas da Universidade de Syracuse, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, da Universidade do Colorado e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore pretendem reduzir ainda mais as fontes de envenenamento por quasipartículas. Experimentando outros projetos adequados e otimizando ainda mais os trens de pulso SFQ, a equipe diz que pode ser possível reduzir os erros de porta para tão baixo quanto 0.1% ou mesmo 0.01%, tornando o SFQ um caminho promissor para alcançar escalabilidade em qubits supercondutores e desbloquear o poder de computação exponencial de computadores quânticos tolerantes a falhas.

A pesquisa é publicada em PRX Quântico.

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