En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Peter A. Spring y un equipo de científicos en física de la Universidad de Oxford describieron la coherencia de qubits y los errores de compuerta de un solo qubit y de diafonía cruzada en la arquitectura de qubits superconductores, adecuada para redes bidimensionales (2D) de qubits. La configuración experimental involucró un recinto de cavidad con derivación inductiva con cableado de control no galvánico fuera del plano, qubits y resonadores fabricados en lados opuestos de un sustrato. Los científicos desarrollaron un dispositivo de prueba de concepto con cuatro qubits transmon desacoplados, es decir, un qubit superconductor cargado con sensibilidad reducida al ruido de carga, para exhibir características específicas medidas a través de evaluaciones comparativas aleatorias simultáneas. La naturaleza integrada tridimensional del cableado de control permitió que el qubit siguiera siendo direccionable a medida que la arquitectura formaba redes de qubit más grandes.

Arquitecto cuántico

Los esfuerzos para construir redes tridimensionales (3D) con multitud de qubits altamente coherentes encerrados es un desafío de hardware excepcional. Los investigadores han desarrollado previamente circuitos superconductores como una plataforma prometedora para realizar dichas redes y formar un conjunto de puertas universales. Por lo general, se deben cumplir dos conjuntos de requisitos para escalar dichas redes superconductoras, incluido un método para enrutar el cableado de control al circuito que permita que todos los qubits permanezcan direccionables y medibles, al tiempo que evita que surjan modos espurios de baja frecuencia dentro del circuito con dimensiones crecientes. El proceso de escalado también debería evitar la decoherencia de los canales a los qubits y ser compatible con las fidelidades de las puertas más allá del umbral de los códigos de corrección de errores cuánticos. Los físicos habían superado previamente los límites de cableado de los circuitos conectados al borde a través del cableado de control integrado 3D como una solución práctica. Alternativamente, los circuitos se pueden encerrar en cavidades con derivación inductiva en dos dimensiones con una frecuencia de corte a los modos de cavidad. Spring et al presentaron resultados experimentales relacionados con el último concepto en un circuito de prueba de principio de cuatro qubits, donde la arquitectura del circuito presentaba cableado de control fuera del plano integrado en 3D, qubits y resonadores de lectura fabricados en lados opuestos de un sustrato. El equipo también incluyó una nueva función clave para la compatibilidad con tiempos de coherencia transmon, superiores a 100 µs, baja diafonía y errores de puerta de un solo qubit.

Los investigadores obtuvieron imágenes del recinto de la cavidad y del circuito, donde la base del recinto mantenía un único "pilar" central y una tapa que contenía un hueco cilíndrico a juego lleno de una bola de indio. Organizaron los cuatro qubits transmon coaxiales en una red de 2 x 2 con un espacio de 2 mm y luego implementaron un diseño de cableado fuera del plano con un diseño de derivación inductiva y un diseño de circuito, donde cada resonador estaba alineado coaxialmente y acoplado capacitivamente, a un qubit. La configuración permitió que los electrodos qubit "flotaran eléctricamente". El equipo obtuvo los parámetros básicos del circuito y caracterizó la diafonía del dispositivo, donde el dispositivo era una demostración de prueba de principio de la arquitectura del circuito sin acoplamientos intencionales, excepto entre pares de qubit-resonador. Como resultado, Spring et al identificaron todos los demás acoplamientos como diafonía no deseada. Luego, el equipo definió los términos de la diafonía y resumió los acoplamientos transversales parásitos experimentales y simulados en el dispositivo, seguido de mediciones experimentales de la selectividad de la línea de control de qubit y la selectividad de la línea de control del resonador. También midieron el acoplamiento parásito qubit-resonador para comprender el cambio dispersivo parásito entre qubit y resonador. Seguido de una evaluación comparativa aleatoria de un solo qubit realizada en los cuatro qubits por separado y simultáneamente. El equipo realizó cada uno de los experimentos de 31 x 80, 5000 veces para generar estadísticas y presentó las puertas de error por física resultantes, y también realizó una evaluación comparativa aleatoria correlacionada basada en datos experimentales simultáneos. Para las simulaciones de estructura de banda, Spring et al analizaron el modelo de simulador de estructura de alta frecuencia de una celda unitaria que contenía dimensiones ideales de la región central de 2 mm x 2 mm del dispositivo. Luego mapearon la estructura de la banda durante las simulaciones mientras recopilaban detalles sobre la frecuencia de corte analítica, la curvatura de la banda y las predicciones de profundidad y piel del plasma dentro de la configuración.

Perspectiva

De esta manera, Peter A. Spring y sus colegas analizaron los tiempos promedio de coherencia de los qubits y las fidelidades simultáneas de las puertas de un solo qubit en una demostración de cuatro qubits de una arquitectura de circuito superconductor 3D. Antes de la inclusión del circuito de acoplamiento qubit, el equipo suprimió en gran medida la diafonía residual de la configuración. El dispositivo optimizado previsto es aplicable para estudiar errores correlacionados generados por radiación de alta energía en redes de qubits con alta coherencia y diafonía suprimida exponencialmente. La arquitectura actual contenía un recinto de cavidad con derivación inductiva que rodeaba estrechamente el circuito, combinado con cableado de control fuera del plano integrado en 3D y resonadores de lectura del reverso. Los resultados destacaron la baja diafonía de la configuración experimental. El paquete del recinto se puede reutilizar remodelando la bola de indio en el hueco de la tapa; sin embargo, el circuito no estaba unido al gabinete y, por lo tanto, no se podía quitar ni volver a montar. Los científicos destacaron varias deficiencias del dispositivo presentado, incluidas las tasas de decaimiento del resonador externo pequeñas y variables y los cambios dispersivos que no eran óptimos para las lecturas de qubit. Primavera et al. atribuyó la mayor coherencia en la configuración al proceso de fabricación, que difería de las implementaciones anteriores de la arquitectura. + Explora más

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