Qubits transmon de recozimento a laser para processadores quânticos supercondutores de alto desempenho

Exemplo de um processo de recozimento LASIQ. (A) Esboço da configuração de corte a laser (23). Um laser de geração de segundo harmônico de 532 nm é sequencialmente focado nas junções de um processador quântico multiqubit, com recozimento térmico para diminuir seletivamente as frequências de qubit (f01) para evitar colisões. (B) Exemplo de uma rede Falcon de 27 qubits sintonizada. O f01 final previsto é representado como um mapa de calor, com os pares iniciais de colisão NN de alto risco destacados e os contornos laranja indicando o f01 inicial acima da largura de banda da proteção Purcell. Após o LASIQ, as restrições de colisão e frequência são resolvidas. (C) Detalhe de recozimento de qubit. O painel inferior indica o f01 previsto inicial (vermelho) e final (azul), mostrando os qubits sintonizados em pontos de ajuste de frequência distintos. O painel do meio indica a distância de sintonia (deslocamentos negativos monotônicos), juntamente com os deslocamentos de destino desejados (losangos roxos), com um desvio RMS (ou seja, precisão de ajuste de resistência equivalente à frequência) de 4,8 MHz, conforme determinado a partir de f01(Rn) empírico correlações. O painel superior mostra as mudanças de resistência de junção correspondentes, alcançando faixas de ajuste de até 14,2%. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690

Os físicos quânticos pretendem dimensionar o número de qubits durante a computação quântica, mantendo portas quânticas de alta fidelidade; esta é uma tarefa desafiadora devido aos requisitos precisos de frequência que acompanham o processo. Processadores quânticos supercondutores com mais de 50 qubits estão atualmente disponíveis ativamente e esses transmons de frequência fixa são atraentes devido à sua longa coerência e imunidade a ruídos. Um transmon é um tipo de qubit de carga supercondutor projetado para ter sensibilidade reduzida ao ruído de carga. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Eric J. Zhang e uma equipe de cientistas da IBM Quantum, IBM T.J. Watson Research Center, Nova York, EUA, usou recozimento a laser para sintonizar seletivamente os qubits transmon nos padrões de frequência desejados. A equipe de pesquisa alcançou uma precisão de ajuste de 18,5 MHz, sem nenhum impacto mensurável na coerência quântica, e prevê facilitar o recozimento seletivo dessa maneira para desempenhar um papel central nas arquiteturas de frequência fixa.
Recozimento a laser de qubits estocasticamente prejudicados (LASIQ)

Os sistemas multi-qubit podem ser construídos em arquiteturas de eletrodinâmica quântica de circuito supercondutor para uma variedade de aplicações, incluindo a implementação do algoritmo de fatoração de Shor, simulações de química quântica e aprendizado de máquina. Os pesquisadores também usaram a métrica do volume quântico para rastrear a progressão contínua do poder de processamento quântico de um determinado processador. Físicos quânticos desenvolveram recentemente uma técnica para recozimento a laser de qubits estocasticamente prejudicados, abreviado LASIQ para aumentar o rendimento livre de colisões de treliças transmon ajustando frequências de qubit individuais por meio de recozimento térmico a laser. Neste trabalho, Zhang et al demonstraram o processo LASIQ como um método escalável para obter a precisão de ajuste do laser esperada. Além do número de qubits sintonizados, eles mediram os parâmetros funcionais de chips multi-qubit para alto desempenho do processador. Durante o estudo, eles exploraram os recursos de dimensionamento do LASIQ ajustando um processador Hummingbird de 65 qubits (acessível como ibmq_manhattan). Zhang et ai. prevemos que o processo LASIQ será empregado como uma ferramenta de ajuste de frequência escalável para arquiteturas transmon de frequência fixa em futuras gerações de sistemas quânticos supercondutores.

Estatísticas de resultado de ajuste do LASIQ. (A) Distribuição inicial (cinza) de qubits que foram ajustados com sucesso para o destino (laranja). A distância do alvo δRT é o diferencial de ajuste normalizado para a resistência final do alvo RT. As barras laranja indicam a distribuição final (largura do compartimento reduzida em 20× para maior clareza) e mostram os 349 qubits ajustados para o sucesso. (B) Visão expandida da distribuição laranja mostrada em (A). O sucesso do recozimento é definido como uma resistência ajustada dentro de 0,3% de RT, que foi alcançada por todos os qubits exibidos e 89,5% dos 390 qubits ajustados (detalhes nos Materiais Suplementares). As regiões azul/vermelha indicam undershoot/overshoot, respectivamente. Um ajuste log-normal é mostrado pela curva preta, que suporta a interpretação do ajuste do LASIQ como um processo de crescimento de resistência incremental. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690

LASIQ ajustando um processador Falcon de 27 qubits e melhorando a precisão do ajuste

Como prova de conceito, a equipe mostrou o ajuste de frequência com um processador Falcon de 27 qubits para prever alvos de frequência. Eles basearam a série de chips Falcon em uma rede hexagonal pesada e realizaram todas as medições em condições ambientais para atingir frequências sintonizadas. Os cientistas evitaram colisões de vizinhos mais próximos com o dobro da tolerância de colisão para melhorar o rendimento do chip contra a hibridização de estado de dois qubits. Além de evitar colisões, a equipe ajustou todos os alvos para evitar o relaxamento radiativo do qubit. Depois de concluir o processo LASIQ, eles resfriaram o processador quântico e examinaram a coerência e a fidelidade do portão de um ou dois qubits, bem como a avaliação do volume quântico.

Os cientistas abordaram os limites da precisão de ajuste do LASIQ como limitações do próprio processo. Por exemplo, quando Zhang et al analisaram uma grande amostra de 390 qubits ajustados, 349 deles puderam ser ajustados com sucesso para atingir uma taxa de sucesso de ajuste de 89,5% durante o experimento. O trabalho mostrou como o LASIQ forneceu um processo viável de corte pós-fabricação para escalonamento de alto rendimento de processadores transmon de frequência fixa. O resultado oferece mais espaço para melhorar as previsões de frequência para alcançar maior precisão de ajuste.

Precisão de atribuição de frequência com base em agregados estatísticos de processadores sintonizados Falcon de 27 qubits e Hummingbird de 65 qubits. (A) Resistência (Rn) à correlação de frequência (f01) para um processador Hummingbird sintonizado. As medições criogênicas de f01 são plotadas em relação às resistências de junção medidas Rn, com uma curva de lei de potência sobreposta aos dados medidos. Ambos os qubits sintonizados (49 qubits) e não sintonizados (16) são representados. A inserção mostra um histograma de resíduos com um SD de 18,6 MHz, indicando a precisão prática à qual podemos atribuir frequências de qubit. (B) O painel superior mostra a análise estatística de precisão realizada para um total de 241 qubits sintonizados de uma combinação de chips Falcon e Hummingbird, com resíduos f01 agregados de regressões individuais de lei de potência para cada chip. O painel inferior mostra análises idênticas realizadas para 117 qubits não ajustados de ambas as famílias de processadores. As medições criogênicas de f01 produzem uma dispersão de 18,5 e 18,1 MHz para qubits sintonizados e não sintonizados, respectivamente, indicando que o processo LASIQ não afeta significativamente a dispersão geral das frequências de qubit antes dos processos preparatórios de limpeza, colagem e resfriamento do chip. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690
Impacto do ajuste LASIQ no relaxamento de qubit (T1, vermelho) e defasagem (T2, azul), usando processadores Hummingbird compostos (parcialmente ajustados). Coerências de Qubit em quatro chips Hummingbird são analisadas. Em cada chip, os qubits não sintonizados e sintonizados foram medidos simultaneamente, para uma amostra estatística total de 59 qubits não sintonizados e 162 sintonizados. (A) Gráficos de caixa das distribuições T1 e T2 (com intervalo de caixa interquartil, 10 a 90% de bigodes, 1 a 99% de outliers indicados por cruzes e mínimos/máximos por marcadores horizontais). As distribuições de coerência não mostram diferença estatisticamente significativa em populações de qubit não ajustadas em comparação com as populações de qubit ajustadas para LASIQ. (B) Ilustra esta comparação como um gráfico quantil-quantil (QQ) das distribuições T1 e T2. Cada ponto representa uma comparação entre os quantis estimados do conjunto de 59 qubits não sintonizados com os quantis interpolados dos 162 qubits sintonizados. Boa linearidade em relação à inclinação da unidade indica uma correspondência próxima das distribuições de coerência em populações de qubits sintonizadas e não sintonizadas. Os valores médios concordam de forma robusta dentro dos limites de erro estatísticos. Para qubits sintonizados (não sintonizados), 〈T1〉 =80 ± 16 μs (76 ± 15 μs) e 〈T2〉 =68 ± 25 μs (70 ± 26 μs). As ovais sombreadas estão centradas nos tempos médios de coerência e têm extensão de 1-σ nos tempos de relaxamento e defasagem. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690

Coerência de qubit e fidelidade de porta

Para determinar o efeito do ajuste do laser na coerência do qubit (uma propriedade única de um sistema quântico), os cientistas usaram um conjunto composto de quatro processadores Hummingbird resfriados e aumentaram sua coerência. Eles observaram boa correspondência, indicando um efeito insignificante do processo LASIQ na coerência do qubit. Como demonstração prática das capacidades de ajuste do LASIQ, Zhang et al ajustaram a laser um processador Hummingbird de 65 qubits, operacionalmente acessível na nuvem como ibmq_manhattan. Eles geraram o plano de ajuste do LASIQ evitando degenerações no nível do vizinho mais próximo, mantendo a separação de nível no regime de straddling. Os cientistas resfriaram o processador de 65 qubits após o LASIQ e mediram frequências de qubits com densidade de dessintonização de frequência entre pares de portas de dois qubits. Os resultados geraram um rendimento de 100% de portas de dois qubits funcionais, trabalhos futuros determinarão as restrições de colisão exatas e identificarão regimes de ajuste de alta fidelidade com tamanhos de rede progressivamente aumentados.

Erros de portão de um processador Hummingbird de 65 qubits após o ajuste do LASIQ. (A) Distribuição da separação f01 de dois qubits sintonizados (laranja), juntamente com a distribuição inicial (pré-LASIQ) (azul), indicando alta densidade de colisões e erros de porta antes do ajuste do LASIQ. (B) Distribuição ZZ alcançada após o ajuste do LASIQ, indicando separação bem adaptada perto da dessintonização nula (colisão NN tipo 1), mantendo uma distribuição ZZ apertada com mediana de 69 kHz. Um estimador de densidade do kernel (KDE) é usado para calcular a densidade de probabilidade ZZ (direita). (C) Erros de porta CNOT (Not Controlado) medidos como uma função de dessintonização de dois qubits (pontos laranja), produzindo uma fidelidade de porta mediana de 98,7% para o Hummingbird sintonizado com LASIQ (a distribuição KDE correspondente de erros de porta é mostrada na tela painel direito). As regiões sombreadas (cinza) indicam projeções de taxa de erro aproximadas com base na modelagem de erro de porta CR (35), incorporando parâmetros típicos de interação de qubit (frequência e anarmonicidade, acoplamento de qubit e tempos de porta), com pulsação de eco rotativa opcional para minimização de erro. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abi6690

Perspectivas

Dessa forma, Adam J. Zhang e colegas alcançaram uma melhoria significativa no rendimento e altas fidelidades de porta de dois qubits para os tipos de processadores quânticos Falcon e Hummingbird IBM. Com base nos resultados, eles destacaram a influência do LASIQ – recozimento a laser de qubits estocasticamente prejudicados; um método de ajuste de frequência pós-fabricação afetivo. O método pode ser aplicado a processos multi-qubit baseados em arquiteturas transmon de frequência fixa. O método oferece uma solução escalável para o problema de aglomeração de frequência, com adaptabilidade para escalar qubits em processadores quânticos progressivamente maiores. O trabalho futuro incluirá planos de ajuste para minimizar erros de colisões próximas e colisões de espectadores para um rendimento maximizado. + Explorar mais