Un qubit superconductor alternativo logra un alto rendimiento para la computación cuántica

Imagen SEM del procesador fluxonium de dos qubits. Crédito:Bao et al.

Las computadoras cuánticas, dispositivos que explotan fenómenos cuánticos para realizar cálculos, eventualmente podrían ayudar a abordar problemas computacionales complejos de manera más rápida y eficiente que las computadoras clásicas. Estos dispositivos se basan comúnmente en unidades básicas de información conocidas como bits cuánticos o qubits.

Investigadores de Alibaba Quantum Laboratory, una unidad del instituto de investigación DAMO de Alibaba Group, desarrollaron recientemente un procesador cuántico utilizando qubits de fluxonio, que hasta ahora no han sido la opción preferida al desarrollar computadoras cuánticas para equipos de la industria. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , demuestra el potencial del fluxonio para desarrollar circuitos superconductores de alto rendimiento.

"Este trabajo es un paso fundamental para nosotros en el avance de nuestra investigación en computación cuántica", dijo Yaoyun Shi, director del Laboratorio Cuántico de Alibaba, a Phys.org. "Cuando comenzamos nuestro programa de investigación, decidimos explorar el fluxonio como componente básico de las futuras computadoras cuánticas, desviándonos de la elección principal del qubit transmon. Creemos que este tipo relativamente nuevo de qubit superconductor podría ir mucho más allá que el transmon".

Si bien algunos estudios anteriores ya habían explorado el potencial de los procesadores cuánticos basados en qubits de fluxonio, la mayoría de ellos ofrecían principalmente pruebas de concepto, que se realizaron en laboratorios universitarios. Sin embargo, para que estos "átomos artificiales" se implementen en computadoras cuánticas reales y compitan con transmons (es decir, qubits ampliamente utilizados), deberían demostrar un alto rendimiento en una amplia gama de operaciones, dentro de un solo dispositivo. Este es precisamente el objetivo clave de este trabajo.

Los qubits de fluxonio tienen dos características que los distinguen de los transmones:sus niveles de energía son mucho más desiguales (es decir, "anarmónicos") y utilizan un gran inductor para reemplazar el condensador utilizado en transmon. Ambos contribuyen a la ventaja del fluxonio, al menos teóricamente, al ser más resistente a los errores, lo que conduce a una mejor "coherencia", es decir, a mantener la información cuántica durante más tiempo y a una "fidelidad más alta", es decir, precisión, en la realización de operaciones elementales.

"Uno puede imaginar los niveles de energía formando una escalera", explicó Chunqing Deng, quien dirigió el estudio. "Las brechas de energía son importantes porque cada instrucción cuántica tiene un 'tono' o frecuencia, y desencadena transiciones entre dos niveles cuando el tono coincide con sus brechas de energía".

Esencialmente, cuando las dos primeras brechas de energía entre niveles están cerradas, como lo están en transmon, una "llamada" para la transición entre los dos primeros niveles de energía (es decir, estados "0" y "1"), también puede desencadenar transiciones accidentalmente. entre el segundo y tercer nivel. Esto puede llevar el estado fuera del espacio computacional válido, lo que se conoce como error de fuga. En fluxonio, por otro lado, la distancia que separa el segundo y tercer "paso" de energía es mayor, lo que reduce el riesgo de errores de fuga.

"En principio, el diseño del fluxonio es simple:consta de dos componentes elementales:una 'unión Josephson' en derivación con un gran inductor, que es similar, de hecho, a la de un transmón, que es una unión Josephson en derivación con un inductor grande. condensador", dijo Chunqing. "La unión de Josephson es el componente mágico que crea la falta de armonía en primer lugar. El inductor grande a menudo, como también en nuestro caso, se implementa mediante un gran número (en nuestro trabajo, 100) de uniones de Josephson".

Reemplazar el capacitor con un inductor en fluxonio elimina las "islas" que resultan de los electrodos y la fuente de "ruidos de carga" causados por las fluctuaciones de carga de los electrones, lo que hace que el fluxonio sea más a prueba de errores. Sin embargo, esto es a expensas de una ingeniería mucho más exigente, debido a la gran variedad de cruces de Josephson.

La ventaja de Fluxonium en alta coherencia se puede amplificar en gran medida para lograr altas fidelidades de puerta si las puertas usan poco tiempo. De hecho, estas puertas rápidas se logran a través de la función de "sintonización" demostrada por los investigadores. Más precisamente, la brecha de energía o "frecuencia" entre los estados "0" y "1" se puede cambiar rápidamente, de modo que dos qubits se pueden poner rápidamente en "resonancia", es decir, que tengan la misma frecuencia. Estar en resonancia es cuando los dos qubits evolucionan juntos para realizar el bloque de construcción más crítico de una computadora cuántica:las puertas de 2 qubits.

En las pruebas iniciales, se descubrió que la plataforma cuántica diseñada por Chunqing y sus colegas alcanzaba una fidelidad de puerta de un solo qubit promedio del 99,97 % y una fidelidad de puerta de dos qubits de hasta el 99,72 %. Estos valores son comparables a algunos de los mejores resultados obtenidos por los procesadores cuánticos en estudios anteriores. Además de las puertas de uno y dos qubits, el equipo también integró, de manera sólida, otras operaciones básicas necesarias para una computadora cuántica digital:reinicio y lectura.

El procesador de 2 qubits desarrollado por este equipo de investigadores podría abrir nuevas posibilidades para el uso de fluxonio en la computación cuántica, ya que superó significativamente a otros procesadores de prueba de concepto introducidos en el pasado. Su trabajo podría inspirar a otros equipos a desarrollar diseños similares, sustituyendo transmon con qubits de fluxonio.

"Nuestro estudio presenta una opción alternativa al transmon ampliamente adaptado", dijo Chunqing. "Esperamos que nuestro trabajo inspire más interés en explorar el fluxonio, de modo que se pueda desbloquear todo su potencial para lograr un rendimiento significativamente mayor en fidelidad, lo que a su vez reducirá significativamente la sobrecarga de realizar la computación cuántica con tolerancia a fallas. Lo que esto significa es que, para la misma tarea computacional, una computadora cuántica de fluxonio de mayor fidelidad puede necesitar una cantidad significativamente menor de qubits".

Esencialmente, Chunqing y sus colegas demostraron que los procesadores basados en fluxonium podían realizar cálculos mucho más potentes que los basados en transmon, usando la misma cantidad de qubits físicos. En sus próximos estudios, al equipo le gustaría ampliar su sistema y tratar de hacerlo tolerante a fallas mientras conserva una alta fidelidad.

"We now plan to validate our hypothesis that fluxonium is indeed a much better qubit than transmon and then march towards the community's next major milestone of realizing fault-tolerance, using ultra-high fidelity flxuonium qubits," Yaoyun added. "We believe fluxonium has the potential to be more widely recognized, as we are not even close to any theoretical limit of high-fidelity operation yet. It is important to keep pushing this direction." + Explora más