Российские физики объединили флаксониумы и трансмон в трехкубитный вентиль

Российские ученые предложили новый способ реализации быстрой трехкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах — флаксониумах. Численное моделирование схемы для подбора оптимальных параметров и показало, что создание экспериментального прототипа не потребует большого числа ресурсов и сложной калибровки. Статья опубликована в Physical Review Applied.

Флаксониумы — разновидность сверхпроводниковых кубитов со сложной энергетической структурой, которая обеспечивает высокую продолжительность жизни кубита и точность работы по сравнению с другими типами кубитов, например, трансмонами. С технической точки зрения флаксониум от трансмона отличается элементом, который соединен с основным элементом сверхпроводникового кубита — переходом Джозефсона. В трансмонах это конденсатор, а в флаксониумах — катушка индуктивности.

Отличие в одном элементе не только влияет на энергетическую структуру кубита, но и на способ управления им: для управления трансмонами обычно используют микроволновое излучение, а флаксониумы чувствительны к изменению магнитного потока (flux; отсюда и название). При этом трансмоны оказываются более устойчивы к внешним воздействиям, а флаксониумы позволяют реализовывать много точных операций.

Ученые из Университета МИСИС и Российского квантового центра под руководством Ильи Беседина (Ilya Besedin) учли преимущества и недостатки обоих типов кубитов и предложили использовать их для создания трехкубитного вентиля CCZ (Controlled-Controlled-Z). Такая комбинация позволила и снизить чувствительность ко внешнему шуму, благодаря управляющему трансмону, и с высокой точностью оперировать вычислительными кубитами-флаксониумами.

В классическом подходе к созданию квантовых вычислительных устройств ученые используют одно- и двухкубитные операции, потому что их проще всего реализовать. С другой стороны, чем больше кубитов задействует одна операции, тем меньше таких операций потребуется, поэтому реализации многокубитных вентилей важны для масштабирования квантовых вычислений.

Авторы предложили и смоделировали схему, которая состоит из трех флаксониумов с соединительным трансмоном. Получается, что для выполнения всей трехкубитной операции достаточно микроволнового импульса, подаваемого на трансмон. Само наличие соединительного элемента заметно уменьшает нежелательное взаимодействие кубитов, а активация микроволновым импульсом позволяет реализовать эффективное трехкубитное взаимодействие, не выводя кубиты из наиболее защищенных от внешних шумов состояний.

Из-за того, что для создания разных выходных трехкубитных состояний используется только один управляющий вход, требуется очень точно рассчитать передачу взаимодействия от трансмона к флаксониумам. Физики подбирали и моделировали энергетические структуры каждого из элементов для того, чтобы было удобно отличать одно состояние от другого, но при возмущении от трансмона с высокой эффективностью передавались флаксониумам. Оказалось, что итоговую схему можно реализовать на разных флаксониумах. То есть при производстве не потребуется делать их максимально близкими друг к другу по свойствам, что упрощает технологический процесс.

Численное моделирование показало, что авторский подход позволит реализовать трехкубитный ССZ вентиль с точностью 99,99 процента и длительностью меньше ста наносекунд. При этом в случае, когда трансмон не возбужден, взаимодействие между флаксониумами почти отсутствует, то есть получается избежать нежелательных взаимодействий внутри схемы. А топология схемы позволяет сильнее разносить вычислительные кубиты при необходимости.

Физики отмечают, что их работа одновременно открывает новые возможности для создания и применения небольших шумных квантовых устройств и для реализации масштабных универсальных отказоустойчивых квантовых вычислителей.

Помимо моделирования и разработки новых схем авторы занимаются и экспериментами. Так, в этом исследовании они использовали результаты прошлой экспериментальной работы по созданию схем из флаксониумов.