Ejemplo de un proceso de recocido LASIQ. (A) Esquema de la configuración de corte por láser (23). Un láser de generación de segundo armónico de 532 nm se enfoca secuencialmente en las uniones de un procesador cuántico multiqubit, con recocido térmico para disminuir selectivamente las frecuencias de qubit (f01) para evitar colisiones. (B) Ejemplo de una red Falcon sintonizada de 27 qubits. El f01 previsto final se representa como un mapa de calor, con los pares de colisión NN de alto riesgo iniciales resaltados y los contornos naranjas que indican el f01 inicial por encima del ancho de banda de la protección de Purcell. Después de LASIQ, se resuelven las limitaciones de colisión y frecuencia. (C) Detalle de los recocidos de qubit. El panel inferior indica el f01 pronosticado inicial (rojo) y final (azul) que muestra los qubits sintonizados con distintos puntos de ajuste de frecuencia. El panel central indica la distancia de sintonización (desplazamientos negativos monotónicos), junto con los desplazamientos de destino deseados (rombos morados), con una desviación RMS (es decir, precisión de sintonización de resistencia de frecuencia equivalente) de 4,8 MHz, según lo determinado a partir de f01(Rn) empírico correlaciones. El panel superior muestra los cambios de resistencia de unión correspondientes, logrando rangos de ajuste de hasta 14,2%. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Los físicos cuánticos tienen como objetivo escalar la cantidad de qubits durante la computación cuántica, manteniendo puertas cuánticas de alta fidelidad; Esta es una tarea desafiante debido a los requisitos precisos de frecuencia que acompañan al proceso. Los procesadores cuánticos superconductores con más de 50 qubits están actualmente disponibles activamente y estos transmons de frecuencia fija son atractivos debido a su larga coherencia e inmunidad al ruido. Un transmon es un tipo de qubit de carga superconductora diseñado para tener una sensibilidad reducida al ruido de carga. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Eric J. Zhang y un equipo de científicos de IBM Quantum, IBM T.J. Watson Research Centre, Nueva York, EE. UU., utilizó recocido láser para sintonizar selectivamente transmon qubits en los patrones de frecuencia deseados. El equipo de investigación logró una precisión de sintonización de 18,5 MHz, sin ningún impacto medible en la coherencia cuántica, y prevé facilitar el recocido selectivo de esta manera para desempeñar un papel central en las arquitecturas de frecuencia fija.
Recocido láser de qubits estocásticamente deteriorados (LASIQ)
Los sistemas multi-qubit se pueden construir sobre arquitecturas de electrodinámica cuántica de circuitos superconductores para una variedad de aplicaciones, incluida la implementación del algoritmo de factorización de Shor, simulaciones de química cuántica y aprendizaje automático. Los investigadores también han utilizado la métrica del volumen cuántico para rastrear la progresión continua de la potencia de procesamiento cuántico para un procesador determinado. Los físicos cuánticos habían desarrollado recientemente una técnica para el recocido láser de qubits estocásticamente deteriorados, abreviado LASIQ para aumentar el rendimiento sin colisiones de las redes transmon al ajustar las frecuencias de qubit individuales a través del recocido térmico láser. En este trabajo, Zhang et al demostraron el proceso LASIQ como un método escalable para obtener la precisión de sintonización láser esperada. Además de la cantidad de qubits sintonizados, midieron los parámetros funcionales de los chips multi-qubit para lograr un alto rendimiento del procesador. Durante el estudio, exploraron las capacidades de escalado de LASIQ ajustando un procesador Hummingbird de 65 qubits (accesible como ibmq_manhattan). Zhang et al. imagine que el proceso LASIQ se empleará como una herramienta de ajuste de frecuencia escalable para arquitecturas transmon de frecuencia fija en futuras generaciones de sistemas cuánticos superconductores.
Estadísticas de resultados de ajuste LASIQ. (A) Distribución inicial (gris) de qubits que se ajustaron con éxito al objetivo (naranja). La distancia desde el objetivo δRT es el diferencial de sintonización normalizado a la resistencia objetivo final RT. Las barras naranjas indican la distribución final (20 × ancho de contenedor reducido para mayor claridad) y muestran los 349 qubits ajustados para el éxito. (B) Vista ampliada de la distribución naranja que se muestra en (A). El éxito de recocido se define como una resistencia ajustada dentro del 0,3 % de RT, que alcanzaron todos los qubits mostrados y el 89,5 % de los 390 qubits ajustados (detalles en los Materiales complementarios). Las regiones azul/roja indican subimpulso/sobreimpulso, respectivamente. La curva negra muestra un ajuste logarítmico normal, que respalda la interpretación del ajuste LASIQ como un proceso de crecimiento de resistencia incremental. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Como prueba de concepto, el equipo mostró el ajuste de frecuencia con un procesador Falcon de 27 qubits para predecir objetivos de frecuencia. Basaron la serie de chips Falcon en una red hexagonal pesada y realizaron todas las mediciones en condiciones ambientales para lograr frecuencias sintonizadas. Los científicos evadieron las colisiones de los vecinos más cercanos con el doble de tolerancia a las colisiones para mejorar el rendimiento del chip frente a la hibridación de estado de dos qubits. Además de evitar colisiones, el equipo ajustó todos los objetivos para evitar la relajación radiativa de los qubits. Después de completar el proceso LASIQ, enfriaron el procesador cuántico y analizaron la coherencia y la fidelidad de la puerta de uno o dos qubits, así como la evaluación del volumen cuántico.
Los científicos abordaron los límites de la precisión de sintonización LASIQ como limitaciones del proceso en sí. Por ejemplo, cuando Zhang et al analizaron una gran muestra de 390 qubits sintonizados, 349 de ellos pudieron ajustarse con éxito al objetivo para una tasa de éxito de sintonización del 89,5 por ciento durante el experimento. El trabajo mostró cómo LASIQ proporcionó un proceso de recorte posterior a la fabricación viable para el escalado de alto rendimiento de los procesadores transmon de frecuencia fija. El resultado ofrece más espacio para mejorar las predicciones de frecuencia para alcanzar una mayor precisión de sintonización.
Precisión de asignación de frecuencia basada en agregados estadísticos de procesadores sintonizados Falcon de 27 qubits y Hummingbird de 65 qubits. (A) Correlación de resistencia (Rn) a frecuencia (f01) para un procesador Hummingbird sintonizado. Las mediciones criogénicas de f01 se trazan frente a las resistencias de unión medidas Rn, con una curva de ley de potencia superpuesta a los datos medidos. Se representan tanto los qubits sintonizados (49 qubits) como los no sintonizados (16). El recuadro muestra un histograma de residuos con una SD de 18,6 MHz, lo que indica la precisión práctica a la que podemos asignar frecuencias qubit. (B) El panel superior muestra el análisis de precisión estadística realizado para un total de 241 qubits sintonizados de una combinación de chips Falcon y Hummingbird, con residuos f01 agregados de regresiones de ley de potencia individuales para cada chip. El panel inferior muestra un análisis idéntico realizado para 117 qubits no sintonizados de ambas familias de procesadores. Las mediciones criogénicas de f01 arrojan una dispersión de 18,5 y 18,1 MHz para qubits sintonizados y no sintonizados, respectivamente, lo que indica que el proceso LASIQ no afecta significativamente la dispersión general de las frecuencias de los qubits antes de los procesos preparatorios de limpieza, unión y enfriamiento del chip. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Impacto de la sintonización LASIQ en la relajación de qubit (T1, rojo) y desfase (T2, azul), utilizando procesadores Hummingbird compuestos (parcialmente sintonizados). Se analizan las coherencias de Qubit en cuatro chips Hummingbird. En cada chip, se midieron simultáneamente los qubits no sintonizados y sintonizados, para una muestra estadística total de 59 qubits no sintonizados y 162 sintonizados. (A) Diagramas de caja de distribuciones T1 y T2 (con rango de caja intercuartílico, 10 a 90 % de bigotes, 1 a 99 % de valores atípicos indicados por cruces y mínimos/máximos por marcadores horizontales). Las distribuciones de coherencia no muestran diferencias estadísticamente significativas en las poblaciones de qubits sin sintonizar en comparación con las poblaciones de qubit sintonizadas con LASIQ. (B) Ilustra esta comparación como un gráfico cuantil-cuantil (QQ) de las distribuciones T1 y T2. Cada punto representa una comparación entre los cuantiles estimados del conjunto de 59 qubits no sintonizados con los cuantiles interpolados de los 162 qubits sintonizados. Una buena linealidad con respecto a la pendiente unitaria indica una coincidencia cercana de las distribuciones de coherencia en las poblaciones de qubit sintonizadas y no sintonizadas. Los valores medios concuerdan sólidamente dentro de los límites de error estadístico. Para qubits sintonizados (no sintonizados), 〈T1〉 =80 ± 16 μs (76 ± 15 μs) y 〈T2〉 =68 ± 25 μs (70 ± 26 μs). Los óvalos sombreados están centrados en los tiempos medios de coherencia y tienen una extensión de 1-σ en los tiempos de relajación y desfase. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Coherencia de Qubit y fidelidad de puerta
Para determinar el efecto del ajuste del láser en la coherencia de los qubits (una propiedad única de un sistema cuántico), los científicos utilizaron un conjunto compuesto de cuatro procesadores Hummingbird enfriados y aumentaron su coherencia. Observaron una buena correspondencia, lo que indica un efecto insignificante del proceso LASIQ en la coherencia qubit. Como demostración práctica de las capacidades de ajuste de LASIQ, Zhang et al ajustaron con láser un procesador Hummingbird de 65 qubits, operativamente accesible desde la nube como ibmq_manhattan. Generaron el plan de sintonización LASIQ al evitar las degeneraciones del nivel del vecino más cercano, al mismo tiempo que mantuvieron la separación de niveles en el régimen de cruce. Los científicos enfriaron el procesador de 65 qubits después de LASIQ y midieron las frecuencias de qubits con densidad de desafinación de frecuencia entre pares de puertas de dos qubits. Los resultados generaron un rendimiento del 100 por ciento de puertas de dos qubits en funcionamiento, el trabajo adicional determinará las restricciones de colisión exactas e identificará regímenes de ajuste de alta fidelidad con tamaños de red cada vez mayores.
Errores de puerta de un procesador Hummingbird de 65 qubits después de la sintonización LASIQ. (A) Distribución de la separación f01 de dos qubits sintonizada (naranja), junto con la distribución inicial (pre-LASIQ) (azul), lo que indica una alta densidad de colisiones y errores de puerta antes de la sintonización LASIQ. (B) Logró la distribución ZZ después de la sintonización LASIQ, lo que indica una separación bien adaptada cerca de la desafinación nula (colisión NN tipo 1), mientras mantiene una estrecha dispersión ZZ con una mediana de 69 kHz. Se utiliza un estimador de densidad kernel (KDE) para calcular la densidad de probabilidad ZZ (derecha). (C) Errores de puerta CNOT (NO controlados) medidos en función de la desafinación de dos qubits (puntos naranjas), lo que arroja una fidelidad de puerta mediana del 98,7 % para el Hummingbird sintonizado con LASIQ (la distribución de errores de puerta de KDE correspondiente se muestra en la panel derecho). Las regiones sombreadas (grises) indican proyecciones aproximadas de tasa de error basadas en el modelo de error de puerta CR (35), que incorporan parámetros típicos de interacción de qubit (frecuencia y anarmonía, acoplamiento de qubit y tiempos de puerta), con pulsos de eco rotatorio opcional para minimizar el error. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Perspectiva
De esta manera, Adam J. Zhang y sus colegas lograron una mejora significativa en el rendimiento y altas fidelidades de puerta de dos qubits para los tipos de procesadores cuánticos IBM Falcon y Hummingbird. En función de los resultados, destacaron la influencia de LASIQ:recocido láser de qubits estocásticamente deteriorados; un método efectivo de sintonización de frecuencia posterior a la fabricación. El método se puede aplicar a procesos multi-qubit basados en arquitecturas transmon de frecuencia fija. El método ofrece una solución escalable al problema del hacinamiento de frecuencia, con adaptabilidad para escalar qubits en procesadores cuánticos progresivamente más grandes. El trabajo futuro incluirá planes de ajuste para minimizar los errores de colisiones con vecinos cercanos y colisiones con espectadores para maximizar el rendimiento.
© 2022 Red Ciencia X Se ha realizado un estado entrelazado de tres qubits en una matriz totalmente controlable de qubits giratorios en silicio
