Pesquisadores da Toshiba Corporation alcançaram um avanço na arquitetura de computadores quânticos:o design básico de um acoplador de transmon duplo que melhorará a velocidade e a precisão da computação quântica em acopladores ajustáveis. O acoplador é um dispositivo chave para determinar o desempenho de computadores quânticos supercondutores.
Acopladores ajustáveis ​​em um computador quântico supercondutor ligam dois qubits e realizam cálculos quânticos ligando e desligando o acoplamento entre eles. A tecnologia atual pode desativar o acoplamento de qubits transmon com frequências próximas, mas isso é propenso a erros de crosstalk que ocorrem em um dos qubits quando o outro qubit é irradiado com ondas eletromagnéticas para controle. Além disso, a tecnologia atual não pode desligar completamente o acoplamento para qubits com frequências significativamente diferentes, resultando em erros devido ao acoplamento residual.

A Toshiba desenvolveu recentemente um acoplador de transmon duplo que pode ligar e desligar completamente o acoplamento entre qubits com frequências significativamente diferentes. A ativação completa permite cálculos quânticos de alta velocidade com acoplamento forte, enquanto o desligamento completo elimina o acoplamento residual, o que melhora a velocidade e a precisão da computação quântica. Simulações com a nova tecnologia mostraram que ela realiza portas de dois qubits, operações básicas em computação quântica, com precisão de 99,99% e tempo de processamento de apenas 24 ns.

O acoplador de transmissão dupla da Toshiba pode ser aplicado a qubits de transmissão de frequência fixa, obtendo alta estabilidade e facilidade de design. É o primeiro a realizar o acoplamento entre qubits transmon de frequência fixa com frequências significativamente diferentes que podem ser completamente ligadas e desligadas, e a fornecer uma porta de dois qubits precisa e de alta velocidade.

Espera-se que a tecnologia avance na realização de computadores quânticos de alto desempenho que contribuirão em áreas como a obtenção da neutralidade de carbono e o desenvolvimento de novos medicamentos. Os detalhes da tecnologia foram publicados em Revisão Física Aplicada .

Antecedentes do desenvolvimento

A mecânica quântica descreve o mundo invisível de átomos e moléculas usando estados de superposição quântica, permitindo que um sistema físico pareça estar em dois estados completamente diferentes simultaneamente. Os computadores quânticos fazem uso dessa misteriosa propriedade para realizar cálculos que são praticamente impossíveis com computadores convencionais, capacidade que tem atraído muita atenção nos últimos anos.

Os computadores quânticos usam qubits em estados de superposição quântica de 0 e 1 para executar cálculos. Qualquer computação quântica é executada com duas operações básicas, portas de qubit único e portas de dois qubits. Para realizar computadores quânticos de alto desempenho, precisamos de operações de portão rápidas e precisas.

O desenvolvimento de computadores quânticos está sendo promovido em todo o mundo, e isso tem visto a adoção de múltiplas abordagens, com propostas que vão desde a manipulação de átomos ou íons únicos até o uso de semicondutores e circuitos supercondutores. A abordagem do circuito supercondutor é agora vista como tendo uma vantagem em termos de realizar estados de superposição quântica em grandes circuitos e na relativa facilidade de alcançar o forte acoplamento de qubits essencial para a execução em alta velocidade de portas de dois qubits.

O acoplamento de qubits é feito com um acoplador. Até recentemente, os dispositivos principais eram acopladores fixos com uma força de acoplamento constante, mas a atenção agora está se voltando para os acopladores ajustáveis, que são vistos como oferecendo a força de acoplamento ajustável necessária para melhorar o desempenho.

Os acopladores ajustáveis ​​atingem requisitos contraditórios:uma porta rápida de dois qubits com forte acoplamento, juntamente com a capacidade de reduzir erros de acoplamento residual desligando o acoplamento. Além disso, é preferível que o qubit usado nos cálculos seja um qubit transmon de frequência fixa, que seja altamente estável, tenha uma estrutura simples e seja fácil de fabricar.

Além disso, a frequência dos dois qubits que são acoplados deve ser significativamente diferente, pois isso reduz os erros de crosstalk e é robusto contra desvios dos valores de design das frequências de qubit, melhorando assim os rendimentos na fabricação do dispositivo. O problema aqui, no entanto, é que nenhum acoplador sintonizável ainda foi capaz de combinar operações de porta de dois qubits de desacoplamento completo e rápidas para dois qubits de transmissão de frequência fixa com frequências significativamente diferentes.

Recursos da nova tecnologia

Os pesquisadores da Toshiba desenvolveram um acoplador de transmon duplo, o primeiro acoplador ajustável do mundo que pode desligar completamente o acoplamento e operar as duas portas qubit em alta velocidade para dois qubits transmon de frequência fixa com frequências significativamente diferentes.

O acoplador transmon duplo compreende dois qubits transmon de frequência fixa, juntamente com outros dois qubits transmon de frequência fixa usados ​​para computação. O acoplador de transmon duplo tem um loop, e os três x's no loop representam duas junções Josephson transmon e uma junção Josephson adicional. O fluxo magnético no loop, Φex, pode ser ajustado por um campo magnético externo para trazer a força de acoplamento entre os qubits em ambos os lados para exatamente zero, desligando completamente o acoplamento.

A força de acoplamento também pode ser aumentada para várias dezenas de megahertz aumentando o fluxo magnético, que realiza operações rápidas de porta de dois qubits. Simulações mostraram que operações de porta com precisão de 99,99% são possíveis, com tempos de porta tão curtos quanto 24 ns. Espera-se, portanto, que o acoplador contribua para computadores quânticos de alto desempenho. + Explorar mais

Um qubit supercondutor alternativo alcança alto desempenho para computação quântica