Computadores quânticos, dispositivos que exploram fenômenos quânticos para realizar cálculos, podem eventualmente ajudar a resolver problemas computacionais complexos com mais rapidez e eficiência do que os computadores clássicos. Esses dispositivos são comumente baseados em unidades básicas de informação conhecidas como bits quânticos ou qubits.
Pesquisadores do Alibaba Quantum Laboratory, uma unidade do instituto de pesquisa DAMO do Alibaba Group, desenvolveram recentemente um processador quântico usando qubits de fluxonium, que até agora não foram a escolha preferida no desenvolvimento de computadores quânticos para equipes da indústria. Seu artigo, publicado em Physical Review Letters , demonstra o potencial do fluxonium para desenvolver circuitos supercondutores de alto desempenho.

"Este trabalho é um passo crítico para nós no avanço de nossa pesquisa de computação quântica", disse Yaoyun Shi, diretor do Laboratório Quântico do Alibaba, ao Phys.org. "Quando começamos nosso programa de pesquisa, decidimos explorar o fluxonium como o bloco de construção para futuros computadores quânticos, desviando-se da escolha dominante do qubit transmon. Acreditamos que esse tipo relativamente novo de qubit supercondutor poderia ir muito além do transmon."

Enquanto alguns estudos anteriores já haviam explorado o potencial de processadores quânticos baseados em qubits de fluxonium, a maioria deles ofereceu principalmente provas de conceito, que foram realizadas em laboratórios universitários. Para que esses "átomos artificiais" sejam implementados em computadores quânticos reais e compitam com os transmons (ou seja, qubits amplamente utilizados), no entanto, eles precisariam demonstrar um alto desempenho em uma ampla gama de operações, dentro de um único dispositivo. Este é precisamente o objetivo principal deste trabalho.

Os qubits de fluxonium têm duas características que os diferenciam dos transmons:seus níveis de energia são bem mais desiguais (ou seja, "anarmônicos") e usam um grande indutor para substituir o capacitor usado no transmon. Ambos contribuem para a vantagem do fluxonium, pelo menos teoricamente, em ser mais resiliente a erros, levando a uma melhor "coerência", ou seja, mantendo a informação quântica por mais tempo, e "maior fidelidade", ou seja, precisão, na realização de operações elementares.

"Pode-se imaginar os níveis de energia formando uma escada", explicou Chunqing Deng, que liderou o estudo. "As lacunas de energia são importantes, porque cada instrução quântica tem um 'tom' ou frequência, e desencadeia transições entre dois níveis quando o tom corresponde às suas lacunas de energia."

Essencialmente, quando as duas primeiras lacunas de energia entre os níveis são fechadas, como estão em transmon, uma "chamada" para a transição entre os dois primeiros níveis de energia (ou seja, estados "0" e "1") pode acidentalmente também desencadear transições entre o segundo e o terceiro nível. Isso pode trazer o estado para fora do espaço computacional válido, levando ao que é conhecido como erro de vazamento. Já no fluxonium, a distância que separa o segundo e terceiro "passos" de energia é maior, o que reduz o risco de erros de vazamento.

"Em princípio, o projeto do fluxonium é simples:consiste em dois componentes elementares - uma 'junção Josephson' desviada com um grande indutor, que é semelhante, de fato, ao de um transmon, que é uma junção Josephson desviada com um capacitor", disse Chunqing. "A junção Josephson é o componente mágico que cria anarmonicidade em primeiro lugar. O grande indutor é muitas vezes, como no nosso caso, implementado por um grande número (em nosso trabalho, 100) de junções Josephson."

A substituição do capacitor por um indutor no fluxonium remove as "ilhas" resultantes dos eletrodos e a fonte de "ruídos de carga" causados ​​por flutuações de carga dos elétrons, tornando o fluxonium mais à prova de erros. Isso ocorre, no entanto, às custas de uma engenharia muito mais exigente, devido à grande variedade de junções Josephson.

A vantagem do fluxonium em alta coerência pode ser muito ampliada para alcançar altas fidelidades de porta se as portas usarem um tempo curto. Tais portões rápidos são de fato alcançados através do recurso de "ajuste" demonstrado pelos pesquisadores. Mais precisamente, a lacuna de energia ou "frequência" entre os estados "0" e "1" pode ser rapidamente alterada, de modo que dois qubits possam ser rapidamente colocados em "ressonância", ou seja, com a mesma frequência. Estar em ressonância é quando os dois qubits evoluem juntos para realizar o bloco de construção mais crítico de um computador quântico – portas de 2 qubits.

Nos testes iniciais, descobriu-se que a plataforma quântica projetada por Chunqing e seus colegas atingiu uma fidelidade média de porta de qubit único de 99,97% e uma fidelidade de porta de dois qubits de até 99,72%. Esses valores são comparáveis ​​a alguns dos melhores resultados alcançados por processadores quânticos em estudos anteriores. Além de portas de um e dois qubits, a equipe também integrou, de maneira robusta, outras operações básicas necessárias para um computador quântico digital – reset e leitura.

O processador de 2 qubits desenvolvido por essa equipe de pesquisadores pode abrir novas possibilidades para o uso do fluxonium na computação quântica, pois superou significativamente outros processadores de prova de conceito introduzidos no passado. O trabalho deles pode inspirar outras equipes a desenvolver projetos semelhantes, substituindo o transmon por qubits de fluxonium.

"Nosso estudo apresenta uma escolha alternativa para o transmon amplamente adaptado", disse Chunqing. "Esperamos que nosso trabalho inspire mais interesse em explorar o fluxonium, para que todo o seu potencial possa ser desbloqueado para alcançar um desempenho significativamente maior em fidelidade, o que, por sua vez, reduzirá significativamente a sobrecarga de realizar a computação quântica com tolerância a falhas. O que isso significa é que, para a mesma tarefa computacional, um computador quântico de fluxonium de alta fidelidade pode precisar de um número significativamente menor de qubits."

Essencialmente, Chunqing e seus colegas mostraram que os processadores baseados em fluxonium podem realizar computações muito mais poderosas do que os baseados em transmon, usando o mesmo número de qubits físicos. Em seus próximos estudos, a equipe gostaria de ampliar seu sistema e tentar torná-lo tolerante a falhas, mantendo uma alta fidelidade.

“Agora planejamos validar nossa hipótese de que o fluxonium é de fato um qubit muito melhor que o transmon e, em seguida, marchar em direção ao próximo grande marco da comunidade de alcançar a tolerância a falhas, usando qubits de flxuonium de ultra-alta fidelidade”, acrescentou Yaoyun. "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." + Explorar mais

Laser annealing transmon qubits for high-performance superconducting quantum processors

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