Новая конструкция многомодового соединителя способствует масштабируемым квантовым вычислениям

Реализация отказоустойчивого квантового процессора требует связывания кубитов для создания запутанности. Сверхпроводящие кубиты являются многообещающей платформой для квантовой обработки информации, но масштабирование до полномасштабного квантового компьютера требует соединения множества кубитов с низким уровнем ошибок. Традиционные методы часто ограничивают связывание ближайшими соседями, требуют больших физических следов и включают в себя многочисленные соединители, что усложняет изготовление.

Например, для парного соединения 100 кубитов требуется огромное количество соединителей. Более того, управление отдельными элементами схемы и соединителями с помощью отдельных кабелей даже для 1000 кубитов потребовало бы непрактично большого объема кабелей, что сделало бы невозможным размещение такой системы в большой лаборатории, не говоря уже об управлении миллионами кубитов. Это подчеркивает необходимость более эффективных и масштабируемых методов соединения.

Группа физиков-теоретиков под руководством Мохамеда Ансари из FZJ в сотрудничестве с экспериментальной группой Бриттона Плурда из Сиракузского университета представила новый подход с использованием многомодового соединителя, который позволяет настраивать силу связи между любой парой кубитов.

Опубликовано в PRX КвантовыйВ этом исследовании используется общий соединитель в форме кольца, изготовленный из метаматериальной линии передачи. Такая конструкция создает плотный спектр частот резонансов стоячей волны вблизи диапазона частот перехода кубита. Левосторонний кольцевой резонатор, состоящий из 24 индуктивно заземленных и емкостно связанных ячеек, демонстрирует плотный набор мод выше минимальной частоты среза, причем частоты мод расширяются на более высоких частотах.

Эта уникальная конструкция, где частота стоячих волн линейно пропорциональна их длине волны, контрастирует с обычными стоячими волнами. Например, удвоение частоты удваивает длину волны, в отличие от типичных систем, где удвоение частоты уменьшает длину волны вдвое. Представьте себе музыкальный инструмент, где более высокие тона соответствуют более длинным волнам — эта концепция бросает вызов традиционным ожиданиям.

Два сверхпроводящих кубита, размещенных в позициях 3 и 6 часов на кольцевом резонаторе, связываются со стоячими волнами, причем сила взаимодействия зависит от амплитуды стоячей волны в их местах. Связывание нескольких кубитов с общей резонансной модой вызывает поперечные обменные взаимодействия, причем связывание зависит от расстройки каждого кубита на различные моды. Эти взаимодействия могут быть положительными или отрицательными. Кроме того, взаимодействия между более высокими возбужденными состояниями каждого кубита и связанными модами приводят к взаимодействиям ZZ более высокого порядка, которые также изменяются с расстройкой кубита и могут менять знак.

Эта изменчивость в обменных и ZZ-взаимодействиях хорошо согласуется с теоретическими моделями, позволяя настраивать масштабы энергии запутывания от больших значений до нуля. Потенциал расширения этой системы до более чем двух кубитов вокруг кольца делает ее многообещающей платформой для управления запутыванием в больших массивах кубитов.