Νέα κυκλώματα qubit ανοίγουν τον δρόμο για ακριβέστερες κβαντικές λειτουργίες

Η επανάσταση των κβαντικών υπολογιστών

Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να επιλύσουν προβλήματα που είναι υπερβολικά περίπλοκα για τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές του σήμερα. Για να γίνει αυτή η υπόσχεση πραγματικότητα, οι κβαντικές εκδόσεις των κωδίκων διόρθωσης σφαλμάτων πρέπει να μπορούν να διορθώνουν τα υπολογιστικά σφάλματα ταχύτερα από ό,τι εμφανίζονται.

Ωστόσο, οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι ακόμα αρκετά ανθεκτικοί για να επιτύχουν τέτοια διόρθωση σφαλμάτων σε εμπορικά σημαντικές κλίμακες. Η πρόκληση αυτή ενέπνευσε τους ερευνητές του MIT να αναπτύξουν μια νέα αρχιτεκτονική υπεραγώγιμων qubit που μπορεί να εκτελεί λειτουργίες μεταξύ qubits με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι ήταν δυνατόν μέχρι σήμερα.

Η καινοτομία του fluxonium qubit

Η ομάδα του MIT χρησιμοποίησε έναν σχετικά νέο τύπο υπεραγώγιμου qubit, γνωστό ως **fluxonium**, το οποίο μπορεί να έχει διάρκεια ζωής πολύ μεγαλύτερη από τα πιο συνηθισμένα υπεραγώγιμα qubits. Η αρχιτεκτονική τους περιλαμβάνει ένα ειδικό στοιχείο σύζευξης μεταξύ δύο fluxonium qubits που επιτρέπει την εκτέλεση λογικών λειτουργιών, γνωστών ως πύλες, με εξαιρετικά ακριβή τρόπο. Αυτό καταστέλλει έναν τύπο ανεπιθύμητης αλληλεπίδρασης υποβάθρου που μπορεί να εισαγάγει σφάλματα στις κβαντικές λειτουργίες.

Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε την επίτευξη πύλων δύο qubits με ακρίβεια που υπερβαίνει το 99,9% και πύλων ενός qubit με ακρίβεια 99,99%. Επιπλέον, οι ερευνητές υλοποίησαν αυτή την αρχιτεκτονική σε ένα τσιπ χρησιμοποιώντας μια επεκτάσιμη διαδικασία κατασκευής.

Η σημασία της υψηλής πιστότητας

Στους κλασικούς υπολογιστές, οι πύλες είναι λογικές λειτουργίες που εκτελούνται σε bits (σειρές από 1 και 0) που επιτρέπουν την υπολογιστική διαδικασία. Στην κβαντική υπολογιστική, οι πύλες μπορούν να θεωρηθούν με τον ίδιο τρόπο: Μια πύλη ενός qubit είναι μια λογική λειτουργία σε ένα qubit, ενώ μια πύλη δύο qubits είναι μια λειτουργία που εξαρτάται από τις καταστάσεις δύο συνδεδεμένων qubits.

Η πιστότητα μετρά την ακρίβεια των κβαντικών λειτουργιών που εκτελούνται σε αυτές τις πύλες. Οι πύλες με την υψηλότερη δυνατή πιστότητα είναι απαραίτητες επειδή τα κβαντικά σφάλματα συσσωρεύονται εκθετικά. Με δισεκατομμύρια κβαντικές λειτουργίες να εκτελούνται σε ένα μεγάλης κλίμακας σύστημα, μια φαινομενικά μικρή ποσότητα σφάλματος μπορεί γρήγορα να προκαλέσει την αποτυχία ολόκληρου του συστήματος.

Η εξέλιξη του fluxonium qubit

Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει κυρίως τα transmon qubits στις προσπάθειές τους να κατασκευάσουν κβαντικούς υπολογιστές. Ένας άλλος τύπος υπεραγώγιμου qubit, γνωστός ως fluxonium qubit, έχει εμφανιστεί πιο πρόσφατα. Τα fluxonium qubits έχουν αποδειχθεί ότι έχουν μεγαλύτερες διάρκειες ζωής, ή χρόνους συνοχής, από τα transmon qubits.

Ο χρόνος συνοχής είναι ένα μέτρο για το πόσο καιρό ένα qubit μπορεί να εκτελεί λειτουργίες ή να εκτελεί αλγόριθμους πριν από την απώλεια όλων των πληροφοριών στο qubit. “Όσο περισσότερο ζει ένα qubit, τόσο υψηλότερη είναι η πιστότητα των λειτουργιών που τείνει να προάγει. Αυτοί οι δύο αριθμοί είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους,” λέει ο Ding.

Η συνεργασία με το MIT Lincoln Laboratory

Τα fluxonium qubits αναπτύχθηκαν σε στενή συνεργασία με το MIT Lincoln Laboratory, το οποίο διαθέτει εξειδίκευση στον σχεδιασμό και την κατασκευή επεκτάσιμων τεχνολογιών υπεραγώγιμων qubit. “Αυτό το πείραμα ήταν υποδειγματικό του ‘μοντέλου μιας ομάδας’: της στενής συνεργασίας μεταξύ της ομάδας EQuS και της ομάδας υπεραγώγιμων qubit στο MIT-LL,” λέει ο Serniak.

Η συμβολή της ομάδας κατασκευής στο MIT-LL ήταν κρίσιμη, καθώς ανέπτυξαν την ικανότητα να κατασκευάζουν πυκνές συστοιχίες με περισσότερους από 100 ζεύξεις Josephson ειδικά για fluxonium και άλλες νέες κυκλωματικές διατάξεις qubit.

Η αρχιτεκτονική FTF

Η νέα αρχιτεκτονική περιλαμβάνει ένα κύκλωμα που έχει δύο fluxonium qubits στα άκρα, με έναν μεταβλητό transmon σύζευκτο στο κέντρο για να τα συνδέει. Αυτή η αρχιτεκτονική fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) επιτρέπει ισχυρότερη σύζευξη από μεθόδους που συνδέουν άμεσα δύο fluxonium qubits.

Η FTF επίσης ελαχιστοποιεί τις ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στο υπόβαθρο κατά τη διάρκεια των κβαντικών λειτουργιών. Συνήθως, οι ισχυρότερες συζεύξεις μεταξύ qubits μπορούν να οδηγήσουν σε περισσότερο από αυτόν τον επίμονο θόρυβο υποβάθρου, γνωστό ως στατικές αλληλεπιδράσεις ZZ. Αλλά η αρχιτεκτονική FTF λύνει αυτό το πρόβλημα.

Το μέλλον της κβαντικής υπολογιστικής

Η ικανότητα καταστολής αυτών των ανεπιθύμητων αλληλεπιδράσεων και οι μεγαλύτεροι χρόνοι συνοχής των fluxonium qubits είναι δύο παράγοντες που επέτρεψαν στους ερευνητές να επιδείξουν πιστότητα πύλης ενός qubit 99,99% και πιστότητα πύλης δύο qubits 99,9%. Αυτές οι πιστότητες πύλης είναι πολύ πάνω από το όριο που απαιτείται για ορισμένους κοινούς κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων, και θα πρέπει να επιτρέψουν την ανίχνευση σφαλμάτων σε συστήματα μεγαλύτερης κλίμακας.

Η ομάδα, αποτελούμενη από τους Ding, Sung, Kannan, Oliver και άλλους, ίδρυσε πρόσφατα μια startup κβαντικής υπολογιστικής, την Atlantic Quantum, με στόχο τη χρήση των fluxonium qubits για την κατασκευή ενός βιώσιμου κβαντικού υπολογιστή για εμπορικές και βιομηχανικές εφαρμογές.

Αν και ένας τέτοιος υπολογιστής πιθανόν να απέχει ακόμα 10 χρόνια, η έρευνα αυτή είναι ένα σημαντικό βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση. Οι ερευνητές σχεδιάζουν να επιδείξουν τα πλεονεκτήματα της αρχιτεκ