Сверхпроводниковый квантовый вычислитель собрали из четырех отдельных модулей

Физики реализовали квантовое вычислительное устройство на сверхпроводниках с помощью модульного принципа, разместив на плоской подложке четыре отдельных узла, конфигурацию которых можно менять произвольным образом. Ученые добились средней степени совпадения (fidelity) результатов работы двухкубитных вентилей в 96 процентов и качества приготовления запутанного двухкубитного состояния в 98,74 процента. Новый метод создания квантовых устройств будет полезен для эффективного масштабирования систем неограниченного размера. Результаты исследования опубликованы в Physical Review X.

Чтобы квантовые вычисления принесли практическую пользу, ученым необходимы устройства, содержащие большое количество кубитов, каждый из которых в свою очередь должен быть связан со всеми остальными. Однако реализация полноценного устройства подобной архитектуры на сегодняшний день до сих пор не представлена: например, в случае сверхпроводников физически невозможно соединить все кубиты друг с другом на одной плоскости — в дело вмешивается потеря когерентности и эффект дефазировки.

При этом исследователи не оставляют попыток обойти физические ограничения и используют для этого подход, схожий с организацией сети Ethernet — сверхпроводниковые кубиты связывают с помощью центрального элемента маршрутизации. Для этого физики используют общую резонаторную шину или соединяют вычислительные модули многомодовым кольцевым резонатором. Подобные подходы страдают уже от других недостатков — например, большого времени переключения между узлами, которое по порядку величины приближается ко времени когерентности сверхпроводниковых кубитов.

Американские физики под руководством Эндрю Клеланда (Andrew Cleland) из Университета Чикаго предложили новую модульную архитектуру квантового процессора, соединив каждый кубит системы со сверхпроводящим квантовым интерференционным устройством.

Для этого ученые составили схему из четырех сверхпроводниковых кубитов и четырех независимо управляемых узлов, которые гальванически соединили с центральным конденсатором. Это обеспечило связь кубитов типа «все со всеми» благодаря выборочному соединению пар кубитов через соответствующие переключатели, контролируемые с помощью динамической настройки магнитного потока. Модули отдельных кубитов, изготовленные на сапфировых подложках, снабдили индивидуальными выводными контактами и расположили на общей материнской плате, которую охладили до 10 милликельвин.

Физики продемонстрировали функциональность и протокол работы переключателей на примере квантового CZ-вентиля. Результаты теста показали, что среднее время выполнения вентиля оказалось примерно 46 наносекунд при степени совпадения (fidelity) 96 процентов с погрешностью около 0,08 процента. Затем ученые провели численное моделирование и выяснили, что теоретический предел точности работы двухкубитных вентилей на их устройстве приближается к 99 процентам. После этого исследователи сгенерировали запутанные состояния Гринбергера — Хорна — Цайлингера с участием сначала двух, а затем трех и четырех кубитов. Итоговая степень совпадения состояния для первого случая составила 98,74 процента, для второго — 88,15 процента и для третьего уже 75,18 процента. Такое снижение результата физики связали с декогеренцией отдельных кубитов в периоды их простоя, пока алгоритм работал с другими элементами схемы.

Авторы работы отметили, что предложенный ими метод соединения может быть улучшен за счет увеличения времени когерентности кубитов и в дальнейшем использован для соединения более четырех модулей одновременно в звездоподобные структуры.

Когда речь заходит о соединении ионных устройств в единый квантовый вычислитель, ученые используют несколько другие подходы, в основном, связанные с физическим перемещением ионов. Например, мы уже писали о том, как физики научились переносить ионы между чипами с рекордной скоростью.